Молекулярна еволюція та філогенетика

Вступ до молекулярної еволюції

Молекулярна еволюція вивчає, як генетичні послідовності змінюються з часом через мутації, відбір, генетичну дрейф та рекомбінацію. З 1960-х років відкриття того, що послідовності білків несуть еволюційну інформацію (гіпотеза молекулярного годинника – деякі білки еволюціонують з постійними темпами, що дозволяє оцінювати час розходження), змінило молекулярну біологію. ДНК та послідовності білків містять більш насичену еволюційну історію, ніж морфологія – відображаючи фактичні молекулярні механізми успадкування, мутації та відбору. Сучасний геномний аналіз вивчає мільйони позицій у сотнях видів, відновлюючи дерево життя з небувалою точністю та розкриваючи молекулярні механізми, що лежать в основі еволюційних адаптацій.

Філогенетика – реконструкція еволюційних зв’язків – використовує вирівнювання послідовностей та математичні моделі еволюції послідовностей для виведення розгалужених дерев (філогенезій), які відображають еволюційну історію генів, геномів і видів. Застосування охоплює від відстеження спалахів інфекційних захворювань (відстеження поширення варіантів SARS-CoV-2 в режимі реального часу) до реконструкції історії стародавніх людських популяцій (виявлення змішування з неандертальцями та діносаврами), виявлення позитивного відбору на адаптивних генах, виведення горизонтального переносу генів та класифікацію нових видів. Філогенемогеноміка – використання даних геномного масштабу – розв’язує давні еволюційні головоломки, які були нерозв’язними за допомогою підходів на основі одного гена.

Механізми молекулярної еволюції

Теорія нейтральної змінності та годинник молекули

Нейтральна теорія, запропонована Мутоо Кімурою (1968), стверджує, що більшість молекулярної варіативності є нейтральною — тобто не корисними і не шкідливими. Невідбірні мутації накопичуються з частотою, рівною частоті мутацій (приблизно 1,1×10-8 на сайт за покоління для людини). Цей молекулярний годинник дозволяє калібрувати часи розходження за допомогою філогенетичних дерев, відкаліброваних викопними породами. Невідбірні заміни (які не змінюють амінокислот) еволюціонують швидше, ніж відбірні; міжгенні регіони еволюціонують швидше, ніж кодуючі послідовності; висококонсерватовані гени (гістони, рибосомальні білки) еволюціонують повільно через функціональні обмеження. Відношення відбірних до невідбірних замін (dN/dS або Ka/Ks) вимірює відбір: dN/dS >1 вказує на позитивний відбір; <1 вказує на очищуючий відбір, який видаляє шкідливі мутації.

Позитивний відбір та адаптація

Позитивний (дарвіністський) відбір прискорює фіксацію вигідних мутацій швидше, ніж очікується через дрейф. Тест МакДональд-Крайтмана розрізняє позитивний відбір від пом’ятого обмеження, порівнюючи співвідношення зафіксованих і поліморфних відбірних та невідбірних замін. Селективні спалахи — швидка фіксація вигідних алелів, які несуть із собою сусідні варіанти, що піднімаються до високої частоти — створюють характерні закономірності зменшеної різноманітності та довгих блокад генотипів, які можна виявити в генетичних даних популяцій. Стійкість до лактази (дозволяє дорослим травлення лактози) завдяки варіантам гена LCT, що розвинулися незалежно 2000-7000 років тому в африканських та європейських скотарських популяціях — чіткий приклад нещодавнього позитивного відбору людини, який був викликаний культурно-генетичною коеволюцією.

Філогенетичні методи

Дерева побудови робляться за допомогою таких методів, як найефективніший (мінімізує загальну зміну станів ознак), максимальної ймовірності (знаходить дерево, що максимізує ймовірність спостережуваних даних під моделлю заміщення) та байєсівського висновку (інтегрує невизначеність параметрів моделі за допомогою зразків MCMC для отримання розподілів задньої ймовірності дерев). Вибір моделі – вибір відповідних моделей заміщення (GTR+Gamma для ДНК; WAG, LG для білків) з урахуванням змін швидкості в різних місцях – має вирішальне значення для точного висновку. Ресемплювання Bootstrap або задні ймовірності визначають підтримку вузлів. Об'єднання багатьох генів збільшує інформацію; методи побудови філогенетичних дерев на основі коалесценції (ASTRAL) враховують розбіжності між деревами генів через неповне сортування ліній у швидких виродженнях). Стародавні ДНК та палеогеноміка

Збережена стародавня ДНК в пермафростах, сухих печерах і помірних середовищах дозволяє безпосередньо відбирати генетичну різноманітність минулого. Швидке покоління shotgun sequencing ДНК з археологічних зразків – за допомогою ензимного ремонту пошкоджень та підготовки бібліотек, адаптованих для коротких, пошкоджених фрагментів – відновлює повні геноми від викопків. Геном Денісова, видобутий з кістки пальця в сибірській печері, змінив еволюційну біологію людини – розкриваючи окрему архаїчну людську лінію, яка інтегровалась у неафриканські предки, з меланезійцями та австралійцями котрі зберігають приблизно 4-6% ДНК Денісова. Геноми стародавніх патогенів відстежують історію Yersinia pestis (чуми) та інших хвороб через археологічний час, розкриваючи походження та поширення історичних пандемій.

Порівняльний геномік

Порівняльний геномік ідентифікує функціональні елементи через еволюційну консервацію — послідовності, що зберігаються в різних видах, ймовірно, мають функціональне значення (обмеження). Аналізи, здійснені за фінансуванням ENCODE, порівняльного геноміки хребетних, виявили приблизно 10% людського генома під еволюційним обмеженням, включаючи не-кодуючі регуляторні області. Синтенія — консервація порядку розташування генів по хромосомі на великих еволюційних відстанях — розкриває давні хромосомні зв’язки; реконструкції антропогенного мамульського генотипу за допомогою порівняльного геноміки людини та мишей. Порівняльний геномік екстремальних фенотипів (ехолокація у левів і дельфінів — конвергентна молекулярна еволюція в одних і тих самих генах) виявляє генетичну основу адаптивних ознак, а порівняння між довгоживучими видами ідентифікують потенційні гени, що впливають на тривалість життя.

Приклади та застосування

Цей ефект пояснює X.

Приклад 1: Філогенетичне моніторинг SARS-CoV-2 Платформи GISAID і Nextstrain дозволили в режимі реального часу відстежувати філогенез розвитку SARS-CoV-2 під час пандемії COVID-19. Різноманітне секвенування зразків з подальшим філогенетичним аналізом виявило появу нових варіантів (Альфа, Дельта, Омікрон), відстежував географічне поширення, виявляв кластери спалахів, визначав час походження та виявляв випадки рекомбінації. Колектив COG-Consortium просекціював більше 50% усіх британських випадків COVID-19 на піку пандемії, що дозволило ідентифікувати ланцюги передачі в медичних закладах, мутації, що ухиляються від вакцинації, та міжнародні імпортні події. Філогенетичне моніторинг став стандартною інфраструктурою громадського здоров’я для підготовки до пандемій багатьох патогенів.

Приклад 2: Людська генетика популяцій та змішування Генно-масштабний аналіз SNP даних від тисяч людей з різноманітних географічних регіонів дозволяє реконструювати історію людських популяцій через аналіз змішування, головний компонентний аналіз та явне демографічне моделювання. Програмне забезпечення STRUCTURE і ADMIXTURE виявляє окремі генетичні кластери, що відповідають географічній зоні континенту. Проєкт Simons Genome Diversity (SGDP) з 300 різних людей задокументував обмеження Out-of-Africa bottleneck, численні незалежні компоненти успадкованої популяції в Африці, стародавнє змішування між предками європейців та неандертальцями (~2%), а також складні міграційні схеми, включаючи заселення Америки через щонайменше одну велику міграцію (~15 000 років тому) з подальшими супутнім міграціями, що призвели до утворення атбасакенських та палеоскітських антропоних,

Приклад 3: Збіжна молекулярна еволюція Збіжна еволюція – незалежний розвиток подібних ознак у непов’язаних видів – іноді передбачає мутації в однакових молекулярних ділянках. Мутації в гені MYH7, що впливають на однакові амінокислоти, викликають слух у багатьох ехолокаційних тварин (скелети та дельфіни) за допомогою сонар. Мутації в гені альфа-кератину, що впливають на перемички, відбуваються незалежно у птахів, що плавають, і у окремих лініях плаваючих ссавців (наприклад, китів). Ген SLC45A2, що кодує пігмент, демонструє збіжний світловий пігмент у незалежно еволюціонованих популяціях риб-пещерів. Ці повторні молекулярні заміни під впливом подібного відбіркового тиску виявляють обмежені молекулярні рішення для досягнення певних фенотипічних кінцевих точок – генетичну основу еволюційного обмеження.

Приклад 4: Горизонтальний перенос генів у бактеріях Горизонтальний перенос генів (ГПГ) – рух генів між організмами, відмінним від вертикального успадкування з батька на дитину – є поширеним серед бактерій і сприяє поширенню стійкості до антибіотиків та метаболічних інновацій. Патогенні острови – великі генетичні вставки, отримані за допомогою ГПГ – передають шкідливі фактори патогенності попередньо нешкідливим штамам: E. coli O157:H7 набула генів шигатоксинів на бактеріофагах. Гені антибіотичної стійкості, що знаходяться на мобільних елементах (плазміди, транспозоони, інтегрони), поширюються між різними бактеріальними родами за допомогою ГПГ – пояснюючи, чому стійкість до нових антибіотиків швидко поширюється між родами незважаючи на відсутність прямого відбіртивного тиску. Виявлення ГПГ використовують інконогруентність між генетичними деревцями та деревцями видів, або аномалії GC-контенту/кодової використання відносно генетичного фону.

Приклад 5: Інтеграція неандертальських генів та людські ознаки Секвенування неандертальського референсного геному (2010) дозволило ідентифікувати генетичні сегменти, успадковані сучасними людьми від схрещування приблизно 50 000–65 000 років тому на Близькому Сході або в Центральній Азії. Неандертальські алелі, пов’язані з певними ознаками у сучасних людей, включають підвищену тяжкість COVID-19 (генотип LZTFL1 3p21 з високою частотою успадкування від неандертальців), знижену тяжкість COVID-19 (гены OAS антивірусу на 12q24) , адаптацію до висоти в Тибеті (варіант EPAS1 від дев’ятизубих людей), а також імунні варіанти. Деякі неандертальські алелі були переважними в нових європейських середовищах та набули високої частоти; інші, що впливають на шкіру, волосся та імунітет, відображають адаптивне інтегрування.

Приклад 6: Філогенетика життя – дерево роду Тридоменна схема життя (бактерії, археї, еукаріоти), запропонована Воесом на основі РНК, тепер уточнено філогенетичним аналізом. Відкриття археїв Асгард (з метагеноміки глибоководних відкладень) розміщує еукаріоти в лінії складних археїв, переосмислено походження еукаріот як дводоменне дерево – з еукаріотами, що розвинулися з археїв через серійну ендосимбіоз або синтиротичне злиття з альфапротеобактеріями (мітохондрійний предок). Філогенетичний аналіз рослин за допомогою сотень генів від тисяч видів вирішив раніше нерозв’язані швидкі радіації, включаючи швидке розмноження ранніх квітів (“похмура таємниця” Дарвіна),

Приклад 7: Швидкість мутацій Широкомасштабна мутаційна швидкість людського гермінального геному (~1.1×10-8 на bp на покоління, ~35 мутацій на покоління) оцінюється за допомогою трио батька-дитина, виявляючи нові мутації у старших батьків. Ефект віку батька: сперматозоїди зазнають 23 поділів клітин на рік, тоді як яйцеклітини піддаються фіксованій кількості поділів, тому швидкість нових мутацій збільшується на 1-2 мутації за кожне додаткове покоління старшого батька. Нові мутації від старіших батьків поповнюють пул, що пояснює, чому ці стани зберігаються незважаючи на зниження репродуктивної придатності (нові мутації з більш старих батьків поповнюють пул). Мутаційні швидкості в соматичних клітинах у 10-100 разів вищі за гермінальні, що відображає відмінності в реплікації та ремонті, оцінені за допомогою масштабних досліджень геному ракових клітин і нормальних тканин.

Приклад 8: Молекулярна систематика мікроорганізмів Аналіз 16S rRNA гену дозволив незалежно ідентифікувати більшість генетичної різноманітності мікробів – спочатку оцінювалося, що 99% навколишніх бактерій неможливо культивувати. Бази даних SILVA та Greengenes містять мільйони класифікованих 16S послідовностей, що дозволяють ідентифікувати таксономію лише на основі послідовності. Метагеноміка навколишнього середовища виявила повністю нові філа, невидимі за допомогою культивування (кандидатів філ CPR/Patescibacteria, DPANN археї), що значно розширює відомий рід геному.

]}

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері – відкрийте симулятор «Молекулярний годинник та філогенетичного дерева» та змінюйте параметри, поки він запущений. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модель жив у одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Molecular Clock & Phylogenetic Tree Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.