Почти нейтральная теория молекулярной эволюции

Вариант одной теории эволюции

Почти нейтральная теория молекулярной эволюции представляет собой модификацию нейтральной теории молекулярной эволюции ^[1] , которая объясняет тот факт, что не все мутации либо настолько вредны, что их можно игнорировать, либо нейтральны. Слегка вредные мутации надежно удаляются только тогда, когда их коэффициент отбора больше единицы, разделенной на эффективный размер популяции . В более крупных популяциях более высокая доля мутаций превышает этот порог, при котором генетический дрейф не может преодолеть отбор, что приводит к меньшему количеству событий фиксации и, следовательно, к замедлению молекулярной эволюции.

Почти нейтральная теория была предложена Томоко Охтой в 1973 году. ^[2] Зависящий от размера популяции порог очистки мутаций был назван Майклом Линчем «дрейфовым барьером» и использовался для объяснения различий в архитектуре генома между видами.

Происхождение

Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, скорость накопления молекулярных изменений между видами должна быть равна скорости нейтральных мутаций и, следовательно, относительно постоянна для разных видов. Однако это показатель на поколение. Поскольку более крупные организмы имеют более длительное время генерации , нейтральная теория предсказывает, что скорость их молекулярной эволюции должна быть медленнее. Однако молекулярные эволюционисты обнаружили, что скорость эволюции белков практически не зависит от времени генерации.

Отметив, что размер популяции обычно обратно пропорционален времени генерации, Томоко Охта предположил, что, если большинство аминокислотных замен немного вредны, это увеличит скорость фактически нейтральных мутаций в небольших популяциях, что может компенсировать эффект длительного времени генерации. Однако, поскольку некодирующие замены ДНК имеют тенденцию быть более нейтральными, независимыми от размера популяции, правильно предсказано, что скорость их эволюции будет зависеть от размера популяции / времени генерации, в отличие от скорости несинонимичных изменений. ^[3]

В этом случае более высокая скорость нейтральной эволюции белков, ожидаемая в небольших популяциях (из-за более мягкого порога очистки вредных мутаций), компенсируется более длительным временем генерации (и наоборот), но в больших популяциях с коротким временем генерации некодирующие ДНК развивается быстрее, в то время как эволюция белков замедляется отбором (который более важен, чем дрейф для больших популяций) ^[3] В 1973 году Охта опубликовал короткое письмо в журнале Nature ^[2], в котором предположил, что широкий спектр молекулярных данных подтверждает теорию События мутаций на молекулярном уровне скорее слегка вредны, чем строго нейтральны.

С тех пор и до начала 1990-х годов во многих исследованиях молекулярной эволюции использовалась «модель сдвига», в которой негативное влияние на приспособленность популяции из-за вредных мутаций возвращается к исходному значению, когда мутация достигает фиксации. В начале 1990-х годов Охта разработал «фиксированную модель», включающую как полезные, так и вредные мутации, так что не было необходимости в искусственном «сдвиге» общей приспособленности популяции. ^[3] Однако, по мнению Охты, почти нейтральная теория в значительной степени вышла из моды в конце 1980-х годов, потому что математически более простая нейтральная теория для широко распространенных исследований в области молекулярной систематики , которые процветали после появления быстрого секвенирования ДНК . Когда в 1990-х годах более подробные систематические исследования начали сравнивать эволюцию областей генома, подвергающихся сильному отбору, с более слабым отбором, почти нейтральная теория и взаимодействие между отбором и дрейфом снова стали важным направлением исследований. ^[4]

Теория

Вероятность фиксации сильно зависит от N для вредных мутаций (обратите внимание на логарифмическую шкалу по оси y) относительно нейтрального случая s=0. Пунктирные линии показывают вероятность фиксации мутации с s=-1/N. Обратите внимание, что в более крупных популяциях наблюдаются более вредные мутации (не показано).

Вероятность фиксации полезных мутаций довольно нечувствительна к N. Обратите внимание, что в более крупных популяциях встречаются более полезные мутации (не показано).

Скорость замещения , ${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle \rho =ugN_{e}{\bar {P}}_{fix}}$,

где – скорость мутаций, – время генерации и – эффективный размер популяции. Последний член представляет собой вероятность того, что новая мутация зафиксируется . Ранние модели предполагали, что это постоянство между видами и увеличивается с ростом . Уравнение Кимуры для вероятности фиксации в гаплоидной популяции дает: ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle N_{e}}$

${\displaystyle P_{fix}={\frac {1-e^{-s}}{1-e^{-sN_{e}}}}}$,

где – коэффициент отбора мутации. Когда (полностью нейтрально), и когда (чрезвычайно вредно), уменьшается почти экспоненциально с увеличением . Мутации с называются почти нейтральными мутациями. Эти мутации могут закрепиться в небольших популяциях посредством генетического дрейфа . В больших популяциях эти мутации устраняются отбором. Если распространены почти нейтральные мутации, то доля которых зависит от ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle |s|\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle P_{fix}={\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle -s\gg {\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle P_{fix}}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle -s\simeq {\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle P_{fix}\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$ ${\displaystyle N_{e}}$

Эффект почти нейтральных мутаций может зависеть от колебаний . В ранних работах использовалась «модель смены», которая может варьироваться в зависимости от поколения, но средняя приспособленность популяции после фиксации сбрасывается до нуля. По сути, это предполагает, что распределение является постоянным (в этом смысле аргументы в предыдущих параграфах можно рассматривать как основанные на «модели сдвига»). Это предположение может привести к неопределенному улучшению или ухудшению функции белка. Альтернативно, более поздняя «фиксированная модель» ^[5] фиксирует распределение влияния мутаций на функцию белка, но позволяет средней приспособленности популяции развиваться. Это позволяет распределению меняться в зависимости от средней приспособленности населения. ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle s}$

«Фиксированная модель» дает несколько иное объяснение скорости эволюции белка. В больших популяциях выгодные мутации быстро подхватываются отбором, что увеличивает среднюю приспособленность популяции. В ответ частота мутаций почти нейтральных мутаций снижается, поскольку эти мутации ограничены хвостом распределения коэффициентов отбора. ${\displaystyle N_{e}}$

«Фиксированная модель» расширяет почти нейтральную теорию. Тачида ^[6] отнес эволюцию к «фиксированной модели», основанной на произведении и дисперсии распределения : большой продукт соответствует адаптивной эволюции, промежуточный продукт соответствует почти нейтральной эволюции, а маленький продукт соответствует почти нейтральной эволюции. эволюция. Согласно этой классификации, незначительно выгодные мутации могут способствовать почти нейтральной эволюции. ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle s}$

Теория «дрейфового барьера»

Майкл Линч предположил, что вариации в способности удалять слегка вредные мутации (т.е. вариации в геномной архитектуре) могут объяснить различия в архитектуре генома у разных видов, например, в размере генома или частоте мутаций. ^[7] В частности, более крупные популяции будут иметь более низкую частоту мутаций, более упорядоченную геномную архитектуру и, как правило, более точно настроенные адаптации. Однако, если устойчивость к последствиям каждой возможной ошибки в таких процессах, как транскрипция и перевод, существенно снизит стоимость совершения таких ошибок, в более крупных группах населения могут возникнуть более низкие показатели глобальной корректуры и, следовательно, иметь более высокий уровень ошибок. ^[8] Это может объяснить, почему Escherichia coli имеет более высокий уровень ошибок транскрипции, чем Saccharomyces cerevisiae . ^{[9] [10]} Это подтверждается тем фактом, что частота ошибок транскрипции в E. coli зависит от количества белка (который отвечает за модуляцию локус-специфической силы отбора), но это происходит только для C с высокой частотой ошибок. к ошибкам дезаминирования U у S. cerevisiae . ^[11] ${\displaystyle N_{e}}$

Смотрите также

• История молекулярной эволюции

Рекомендации

1. Кимура М (февраль 1968 г.). «Скорость эволюции на молекулярном уровне». Природа . 217 (5129): 624–626. Бибкод : 1968Natur.217..624K. дои : 10.1038/217624a0. PMID  5637732. S2CID  4161261.
2. Ohta T (ноябрь 1973 г.). «Слегка вредные мутантные замены в эволюции». Природа . 246 (5428): 96–98. Бибкод : 1973Natur.246...96O. дои : 10.1038/246096a0. PMID  4585855. S2CID  4226804.
3. Ohta T, Гиллеспи Дж. Х. (апрель 1996 г.). «Развитие нейтральных и почти нейтральных теорий». Теоретическая популяционная биология . 49 (2): 128–142. CiteSeerX 10.1.1.332.2080 . дои : 10.1006/tpbi.1996.0007. ПМИД  8813019. 
4. Охта Т (август 1996 г.). «Современное значение и положение нейтральных и нейтральных теорий». Биоэссе . 18 (8): 673–7, обсуждение 683. doi :10.1002/bies.950180811. ПМИД  8779656.
5. Охта Т, Тачида Х (сентябрь 1990 г.). «Теоретическое исследование почти нейтральности. I. Гетерозиготность и скорость мутантного замещения». Генетика . 126 (1): 219–229. дои : 10.1093/генетика/126.1.219. ПМК 1204126 . ПМИД  2227381. 
6. Тачида Х (май 1991 г.). «Исследование почти нейтральной модели мутации в конечных популяциях». Генетика . 128 (1): 183–192. дои : 10.1093/генетика/128.1.183. ПМК 1204447 . ПМИД  2060776. 
7. Линч М (2007). Истоки архитектуры генома . Сандерленд: Sinauer Associates.
8. Рэджон Э, Масел Дж (январь 2011 г.). «Эволюция частоты молекулярных ошибок и последствия для эволюционности». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (3): 1082–1087. Бибкод : 2011PNAS..108.1082R. дои : 10.1073/pnas.1012918108 . ПМК 3024668 . ПМИД  21199946. 
9. «Коррекция Траверса и Охмана, консервативные показатели и закономерности ошибок транскрипции в зависимости от состояний роста бактерий и образа жизни». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (29): Е4257–Е4258. Июль 2016 г. Бибкод : 2016PNAS..113E4257.. doi : 10.1073/pnas.1609677113 . ПМЦ 4961203 . ПМИД  27402746. 
10. Сюн К., МакЭнти Дж. П., Порфирио Дж., Масел Дж. (январь 2017 г.). «Дрейфовые барьеры для контроля качества, когда гены экспрессируются на разных уровнях». Генетика . 205 (1): 397–407. дои : 10.1534/genetics.116.192567 . ПМЦ 5223517 . ПМИД  27838629. 
11. Меер К.М., Нельсон П.Г., Сюн К., Масел Дж. (январь 2020 г.). «Высокая частота ошибок транскрипции варьируется в зависимости от уровня экспрессии генов». Геномная биология и эволюция . 12 (1): 3754–3761. дои : 10.1093/gbe/evz275 . ПМК 6988749 . ПМИД  31841128. 

Внешние ссылки

• Почти нейтральная теория молекулярной эволюции. Перспективы молекулярной эволюции