Evoluția moleculară este o știință care studiază procesul de modificare a secvențelor monomerilor din moleculele de biopolimer din organismele vii, și anume ADN , ARN și proteine [1] . Evoluția moleculară se bazează pe principiile biologiei evoluționiste , biologiei moleculare și geneticii populațiilor . Sarcina evoluției moleculare este de a explica tiparele unor astfel de schimbări. Evoluția moleculară se ocupă de mecanismele de acumulare a modificărilor de către molecule, și de mecanismele de fixare a acestor modificări în populații, precum și de problemele speciației [1] .
Evoluția moleculară are o strânsă legătură cu domeniile științei:
Există următoarele metode de biologie moleculară :
Principala sursă de acumulare a modificărilor în materialul genetic sunt modificările genomice. Principalele mecanisme ale evoluției genomului sunt următoarele:
Articolul principal: Mutații
O mutație este o schimbare permanentă a genomului. Mutațiile rezultă din erori de replicare , expunerea la radiații , substanțe chimice mutagene precum colchicina și epoxibenzantracenul sau alte tipuri de stres biologic, expunerea la transpozoni sau viruși . Mutațiile sunt împărțite în genomice, genice și cromozomiale. Mutațiile genelor sunt modificări care apar într-o singură genă . Mutațiile cromozomiale afectează secțiuni ale unui cromozom . Mutațiile genomice afectează cromozomi întregi [5] . Majoritatea mutațiilor apar ca polimorfisme cu un singur nucleotide, care sunt substituții de un singur nucleotide care au ca rezultat mutații punctuale. Alte tipuri de mutații au ca rezultat modificarea unor fragmente mari de ADN și pot provoca duplicări , ștergeri , inserții , inversiuni sau translocări .
Majoritatea organismelor sunt caracterizate de o corespondență între tipul de mutații și compoziția GC. Tranzițiile (mutațiile în care o bază purinică este înlocuită cu o altă purină și o bază pirimidină cu o altă pirimidină) sunt mai frecvente decât transversiunile (mutații în care o purină este înlocuită cu o pirimidină și invers) [6] . Mutațiile sunt, de asemenea, necaracteristice, în care aminoacidul din proteina produsului de translație finală se modifică . Procesul mutagen este stocastic. Mutațiile apar aleatoriu. Probabilitatea ca o mutație să apară într-un loc de nucleotide este foarte mică și se ridică la aproximativ un situs pentru o generație pentru diferite organisme. În același timp, unii virusuri se caracterizează printr-o rată de mutație mai mare, probabilitatea unei mutații atingând . Printre toate mutațiile pot fi distinse neutre și pozitive. care nu sunt eliminate din populatie , desi unele dintre ele pot fi eliminate prin deriva genetica . Mutațiile rămase sunt negative și sunt eliminate din populație în cursul selecției naturale. Deoarece mutațiile sunt extrem de rare, ele se acumulează foarte lent. În timp ce numărul de mutații care apar într-o singură generație poate varia, pe perioade lungi de timp, mutațiile se acumulează în mod regulat. Folosind numărul mediu de mutații pe generație și diferența dintre două secvențe de nucleotide, este posibil să se estimeze timpul de evoluție folosind un ceas molecular [7] .
Articolul principal: Recombinare
Recombinarea este procesul care are ca rezultat schimbul de secvențe de nucleotide între cromozomi sau regiuni ale cromozomilor. Recombinarea contracarează conexiunea fizică dintre genele adiacente. Ca urmare, moștenirea independentă a genelor duce la o selecție mai eficientă, ceea ce înseamnă că regiunile cu niveluri mai mari de recombinare vor avea mai puține mutații dăunătoare, variante mai favorizate evolutiv și mai puține erori în replicare și reparare. Recombinarea poate genera și anumite tipuri de mutații dacă cromozomii nu sunt aliniați [8] .
Articolul principal: Elemente mobile
Elementele transpozabile alcătuiesc o parte semnificativă a genomului și sunt reprezentate de transpozoni , retrotranspazoni și elemente care se repetă. În mod normal, activitatea elementelor mobile în mișcare este suprimată cu ajutorul piRNA , metilarea ADN-ului . Cu toate acestea, în situații stresante și schimbări în peisajul epigenetic al celulei, elementele mobile încep să se miște sau să fie copiate în noi părți ale genomului. Transpozonii pot influența structura și funcția genelor și controlul epigenetic al expresiei lor . În special, inserarea unui transpozon într-o genă poate duce la o schimbare a cadrului de citire și la defalcarea acestuia. Astfel de gene care nu funcționează scapă de presiunea selecției naturale și acumulează rapid mutații, devenind pseudogene . Adesea activitatea retrotranspozonilor duce la duplicarea genelor [9] .
Articolul principal: Îmbinare alternativă
Secvențele necodificatoare care sunt transcrise împreună cu gena, dar sunt ulterior eliminate din transcriptul primar se numesc introni . Intronii se găsesc în toate eucariotele și, cu puține excepții, sunt absenți la procariote . În timpul procesării ARN -ului, are loc splicing -ul , în urma căreia intronii sunt excizați, iar regiunile de codificare rămase ( exoni ) sunt fuzionate într-o singură moleculă. Cu splicing alternativ , nu toți exonii cad în ARNm matur și mai multe ARNm diferite pot fi obținute dintr-un singur transcript , fiecare dintre ele va corespunde propriei proteine. Splicing-ul alternativ este considerat un pas foarte important spre creșterea flexibilității evolutive a eucariotelor, deoarece în cazul mutațiilor care duc la formarea de noi exoni, apare o nouă izoformă genică fără a pierde proteina originală. [10] Amestecarea exonilor joacă un rol important în crearea de noi structuri genice [11] .
Pseudogenele sunt gene funcționale anterior care, dintr-un motiv oarecare, au încetat să se mai exprimă. Oprirea expresiei se poate datora mutațiilor în regiunea promotorului , pierderii codonului de pornire , deplasării cadrului sau ștergerii parțiale a genei. Pseudogenizarea unei gene are loc de obicei în timpul duplicării acesteia. Uneori, duplicarea nu afectează regiunea promotoare a genei, astfel încât copia nu poate fi exprimată de la bun început. Odată cu o duplicare completă a unei gene, una dintre copii iese și ea din presiunea evolutivă și poate deveni o pseudogenă [12] .
Articolul principal: Transfer orizontal de gene
Transferul orizontal al genelor este transferul de material genetic către un organism nedescendent. Un astfel de mecanism evolutiv este larg răspândit în rândul procariotelor, dar apare și în organismele eucariote [13] .
Procariotele sunt caracterizate prin prezența plasmidelor - ADN circular mic capabil de replicare autonomă de celulă . Dimensiunea plasmidelor variază de la 1 la 600 mii bp. Schimbul de plasmide este un mecanism important pentru transferul orizontal al genelor la procariote și poate avea loc în două moduri. În primul rând, plasmida poate fi capturată de bacterii din mediu fără contact direct cu purtătorul primar al plasmidei. O astfel de captură se numește transformare . Transformarea este utilizată pe scară largă în biologia moleculară, în special pentru donarea genelor țintă într-o celulă procariotă. În al doilea rând, plasmida poate fi transferată folosind conjugarea , în care bacteriile formează o pereche și printr-un pili special una dintre bacterii transferă o copie a plasmidei sale F [14] .
Pe lângă transferul de plasmide, transferul orizontal este realizat în bacterii prin transducție . Procesul constă în transferul de segmente de ADN între celule prin intermediul bacteriofagelor [15] .
Articolul principal: Poliploidie
Dublarea genomului este de obicei asociată cu segregarea anormală a cromozomilor în timpul meiozei . Un organism rezultat din duplicarea genomului se numește poliploid. Poliploizii pot fi împărțiți în două grupe:
În primele câteva generații după dublarea genomului, au loc rearanjamente la scară largă în genomul poliploid. Deoarece fiecare genă are două copii, unii cromozomi pot ieși din genom cu pierderea unei singure variante de genă [16] . Acest fenomen se numește aneuploidie . De asemenea, este activată mișcarea elementelor mobile. De-a lungul timpului, genomul poliploid ajunge la o stare stabilă și, în cursul evoluției ulterioare, perechile de gene homeologe sunt stratificate. Cel mai adesea, o genă dintr-o pereche devine o pseudogenă, în timp ce a doua continuă să își îndeplinească funcția inițială. Uneori, cuplurile diferă în funcții și încep să lucreze în paralel.
Poliploidia este un mecanism puternic pentru speciația simpatrică și este răspândită printre ciuperci și plante . La animale apar cazuri izolate de poliploidie.
Poliploidia a jucat un rol semnificativ în formarea multor plante cu flori moderne . În prezent, se crede că toate plantele cu flori au trecut prin cel puțin două cicluri de poliploidizare [17] .
Mărimea genomului unui organism, pe lângă numărul de gene, este afectată de numărul de fragmente repetitive de ADN. Mărimea totală a genomului adesea nu se corelează cu „complexitatea” organismului. Acest lucru se datorează faptului că proporția de transpozoni din genom poate fi foarte mare. În plus, numărul de gene nu este întotdeauna legat de numărul de stadii de dezvoltare și de țesuturile corpului.
În prezent, nu există dovezi că dimensiunea genomului este sub selecție strictă la eucariotele multicelulare. Dimensiunea genomului, indiferent de numărul de gene din acesta, se corelează slab cu majoritatea parametrilor fiziologici. O parte semnificativă a eucariotelor, inclusiv mamiferele , poartă un număr mare de elemente care se repetă.
Unul dintre cazurile rare de acțiune a selecției naturale pentru a reduce dimensiunea genomului a fost observat la păsări . Spre deosebire de mamifere, eritrocitele aviare au nuclei care, atunci când sunt mari, încetinesc transportul de oxigen . Pentru a menține rata metabolică ridicată necesară zborului, genomul păsării a fost redus. Există dovezi circumstanțiale că toate celelalte teropode au avut genomuri la fel de mici , în concordanță cu endotermia și rata metabolică ridicată a dinozaurilor [18] .
Noi gene apar prin mai multe mecanisme genetice, care includ duplicarea genelor, retrotranspunerea, formarea de gene himerice și utilizarea secvențelor necodificatoare.
Dublarea genelor duce inițial la redundanța genomului. Mai târziu, copiile identice inițial se pot dispersa și pot îndeplini funcții diferite. În plus față de duplicarea unei gene, poate apărea duplicarea unui singur domeniu al unei proteine, rezultând o proteină cu o arhitectură de domeniu diferită .
Aspectul de novo al unei gene poate proveni și din ADN-ul anterior necodificator [19] . De exemplu, au fost înregistrate 5 cazuri de apariție a unor noi gene din secvențe necodante la D. melanogaster [20] . Gene de novo au fost găsite și în drojdie [21] , orez [22] și oameni. Mutația într-un codon stop poate duce la o oprire ulterioară a traducerii transcriptului și la expansiunea genei în detrimentul unei secvențe necodificatoare.
Evoluția de novo a genelor poate fi replicată în laborator. De exemplu, ei au reușit să dezvolte o nouă genă, enterobactin esteraza, care a compensat o genă similară ștearsă în E. coli. Noua proteină nu avea legătură cu enzima naturală și avea o lungime de doar 100 a.a. în loc de 400 a.o. [23] .
Există trei ipoteze. explicarea evoluției moleculare. [24] [25]
Conform ipotezei selecției, selecția este forța motrice a evoluției moleculare. Deși se știe că majoritatea mutațiilor sunt neutre, crescătorii atribuie modificări ale frecvențelor alelelor neutre dezechilibrului de legătură al genelor care sunt în proces de selecție, mai degrabă decât derivei genetice aleatorii. Diferența în utilizarea codonilor este explicată de capacitatea chiar și de selecția slabă de a modela evoluția moleculară. [26] [27]
Ipotezele neutre subliniază importanța mutațiilor, a selecției purificatoare și a derivei genetice aleatorii. [28 ] Introducerea de către Kimura [29 ] a teoriei neutre , care a urmat descoperirilor lui King și Jukes [30] , a condus la o dezbatere acerbă despre relevanța neo-darwinismului la nivel molecular. Teoria neutră a evoluției moleculare presupune că cele mai multe mutații ale ADN-ului sunt localizate în locuri care nu sunt importante pentru viața organismului și fitness-ul acestuia. Aceste schimbări neutre sunt fixe în populație. Modificările pozitive vor fi foarte rare și, prin urmare, nu vor contribui semnificativ la polimorfismul ADN-ului. [31] Mutațiile dăunătoare nu contribuie prea mult la diversitatea ADN-ului, deoarece afectează negativ fitnessul unui organism și, prin urmare, sunt îndepărtate rapid din fondul genetic. [32] Această teorie stă la baza ceasului molecular. [31] Soarta mutațiilor neutre este determinată de deriva genetică și promovează atât polimorfismul nucleotidelor, cât și diferențele fixe între specii. [33] [34]
În sensul cel mai strict, teoria neutră nu este exactă. [35] Micile modificări ale ADN-ului au foarte des consecințe, dar uneori aceste efecte sunt prea mici pentru ca selecția naturală să funcționeze. [35] Chiar și mutațiile sinonime nu sunt neapărat neutre [35] deoarece diferiți codoni sunt prezenți în cantități diferite, ceea ce afectează rata de traducere. Există și o teorie numită teoria aproape neutră. Această teorie a extins perspectiva teoriei neutre, sugerând că unele mutații sunt aproape neutre, ceea ce înseamnă că atât deriva aleatorie, cât și selecția naturală afectează dinamica. [35] Principala diferență dintre teoria neutră și teoria aproape neutră este că cea din urmă se concentrează mai degrabă pe selecția slabă decât pe selecția strict neutră. [32]
Ipoteza mutației se concentrează în primul rând pe derive aleatorie și schimbări ale modelelor de mutație [36] . Sueoka a fost primul care a oferit o viziune modernă asupra mutației. El a sugerat că modificarea compoziției HC nu a fost rezultatul selecției pozitive, ci o consecință a presiunii mutaționale a HC [37] .
Principiile evoluției moleculare au fost descoperite, studiate și testate în continuare prin amplificarea, variația și selecția speciilor cu cea mai rapidă proliferare și cele mai variabile genetic din afara celulei. De la munca de pionierat a lui Solomon Spiegelman în 1967 [38] care descrie ARN care este replicat de o enzimă din virusul Qß [39] , mai multe grupuri (cum ar fi grupul Kramers [40] și grupul Baibrecher, Loos și Eugen [41] ) au studiat mini - și microvariante ale acestui ARN în anii 1970 și 1980, care se auto-replica în secunde sau minute, făcând posibilă urmărirea a sute de generații de o dimensiune suficient de mare (de exemplu, 10^14 secvențe în dimensiune ) într-o zi de experimente.
Analiza chimico-cinetică a mecanismului detaliat de replicare [42] [43] a arătat că acest tip de sistem a fost primul sistem evolutiv molecular care poate fi pe deplin caracterizat pe baza cineticii fizico-chimice, construind primele modele care ar putea permite corespondența. de la genotip la fenotip. Un astfel de model se bazează pe plierea și replierea ARN dependentă de secvență [44] .
Atâta timp cât funcția enzimei multicomponente Qß este păstrată, condițiile chimice pot varia semnificativ pentru a studia efectul schimbării mediului și al presiunii de selecție. Experimentele cu cvasi-specii de ARN in vitro au inclus caracterizarea pragului de eroare pentru informații în evoluția moleculară, descoperirea evoluției de novo care a condus la o varietate de specii de ARN replicabile și descoperirea undelor care călătoresc spațiale ca reactori ideali ai moleculari. evoluţie. [45]
Experimente mai recente au folosit noi combinații de enzime pentru a elucida noi aspecte ale evoluției moleculare care interacționează care implică fitness dependent de populație, inclusiv lucrul cu modele moleculare de pradă-prădători concepute artificial [46] și sisteme cooperante de ARN și ADN multiplu. Pentru aceste studii, au fost dezvoltate reactoare evolutive speciale, începând cu mașini de transfer secvențial, reactoare cu flux, cum ar fi mașini de statistică celulară, reactoare capilare și microreactoare, inclusiv reactoare cu flux liniar și reactoare cu gel. Aceste studii au fost însoțite de dezvoltări teoretice și modelare care implică cinetica de pliere și replicare a ARN-ului, care au elucidat importanța modelului de corelație dintre spațierea secvenței și modificările de fitness, inclusiv rolul rețelelor neutre și al ansamblurilor structurale în optimizarea evolutivă. [47]
Articolul principal: Filogenetică moleculară
Sistematica moleculară a apărut ca rezultat al combinării sistematicii tradiționale cu abordările geneticii moleculare . Taxonomia moleculară folosește secvențe de ADN, ARN sau proteine pentru a rezolva întrebări sistematice, și anume clasificarea sau taxonomia corectă din punctul de vedere al biologiei evoluționiste.
Taxonomia moleculară a proliferat datorită disponibilității tehnicilor de secvențiere ADN care permit determinarea unor secvențe specifice de nucleotide ADN sau ARN. Secvențierea întregului genom este acum din ce în ce mai utilizată pentru studii filogenetice, dar pentru a construi o filogenie, este de obicei suficient să se compare doar câteva fragmente variabile de 1000 bp. Astfel de fragmente variabile sunt adesea ARNr 16S în bacterii, markeri ITS și cloroplast la plante și fragmente mitocondriale la animale.
Evoluția proteinelor este studiată prin compararea secvențelor și structurilor proteinelor din multe organisme care reflectă cladele îndepărtate filogenetic. Dacă secvențele și structurile a două proteine sunt similare, ceea ce înseamnă originea lor comună, atunci astfel de proteine sunt numite omoloage . Dacă proteinele omoloage sunt obținute din specii diferite, atunci ele se numesc ortologi. Proteinele omoloage găsite în același genom sunt numite paralogi.
Evoluția proteinelor este întotdeauna condusă de modificări ale ADN-ului genelor care codifică proteine. Dar mutațiile ADN nu afectează întotdeauna secvența proteinei, deoarece adesea înlocuirea unei nucleotide într-un triplet care codifică aminoacizi duce la apariția unui triplet sinonimic .
Relațiile filogenetice ale proteinelor sunt stabilite prin comparații de secvențe multiple și construirea de arbori filogenetici . Astfel de arbori filogenetici arată că asemănarea mare a secvenței reflectă apropierea evolutivă a proteinelor.
Evoluția proteinelor descrie modificările de-a lungul timpului în forma, funcția și structura proteinelor. Este de remarcat faptul că rata de schimbare a secvenței nu este aceeași pentru diferite proteine [48] . Proteinele cheie necesare vieții unui organism sunt de obicei mai conservatoare, deoarece majoritatea mutațiilor în astfel de gene duc la tulburări semnificative în funcționarea întregului organism și nu sunt fixate în populație. La rândul său, frecvența mutațiilor în secvențele unui grup funcțional de proteine diferă între loci. În enzime, reziduurile de la locul activ sunt cele mai conservate.
![]() | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
|