История молекулярной эволюции

История молекулярной эволюции начинается в начале 20-го века со «сравнительной биохимии», но область молекулярной эволюции вступила в свои права в 1960-х и 1970-х годах, после подъема молекулярной биологии . Появление секвенирования белков позволило молекулярным биологам создавать филогении на основе сравнения последовательностей и использовать различия между гомологичными последовательностями в качестве молекулярных часов для оценки времени, прошедшего с момента последнего общего предка. В конце 1960-х годов нейтральная теория молекулярной эволюции обеспечила теоретическую основу для молекулярных часов, хотя и часы, и нейтральная теория были противоречивыми, поскольку большинство биологов-эволюционистов твердо придерживались панселекционизма , считая естественный отбор единственной важной причиной эволюционных изменений. изменять. После 1970-х годов секвенирование нуклеиновых кислот позволило молекулярной эволюции выйти за рамки белков и перейти к высококонсервативным последовательностям рибосомальных РНК , что стало основой переосмысления ранней истории жизни .

Ранняя история

До появления молекулярной биологии в 1950-х и 1960-х годах небольшое количество биологов исследовали возможности использования биохимических различий между видами для изучения эволюции . Альфред Стертевант предсказал существование хромосомных инверсий в 1921 году и вместе с Добжанским построил одну из первых молекулярных филогений на 17 штаммах Drosophila Pseudo-obscura на основе накопления хромосомных инверсий, наблюдаемых в результате гибридизации политенов. хромосомы. Эрнест Болдуин активно работал в области сравнительной биохимии, начиная с 1930-х годов, а Марсель Флоркин впервые разработал методы построения филогений на основе молекулярных и биохимических признаков в 1940-х годах. Однако только в 1950-х годах биологи разработали методы получения биохимических данных для количественного изучения молекулярной эволюции .

Первые исследования молекулярной систематики были основаны на иммунологических анализах и методах «отпечатков пальцев» белков. Алан Бойден , опираясь на иммунологические методы Джорджа Наттолла, разработал новые методы, начиная с 1954 года, а в начале 1960-х годов Кертис Уильямс и Моррис Гудман использовали иммунологические сравнения для изучения филогении приматов . Другие, такие как Лайнус Полинг и его ученики, применили недавно разработанные комбинации электрофореза и бумажной хроматографии к белкам, подлежащим частичному перевариванию пищеварительными ферментами , для создания уникальных двумерных моделей, позволяющих проводить детальные сравнения гомологичных белков.

Начиная с 1950-х годов, некоторые натуралисты также экспериментировали с молекулярными подходами, в частности Эрнст Майр и Чарльз Сибли . В то время как Майр быстро разочаровался в бумажной хроматографии, Сибли успешно применил электрофорез к белкам яичного белка для решения проблем систематики птиц, а вскоре дополнил это методами гибридизации ДНК — начало долгой карьеры, построенной на молекулярной систематике .

Хотя такие ранние биохимические методы нашли неохотное признание в биологическом сообществе, по большей части они не повлияли на основные теоретические проблемы эволюции и популяционной генетики. Ситуация изменится, когда молекулярная биология прольет больше света на физическую и химическую природу генов.

Генетическая нагрузка, споры о классическом балансе и измерении гетерозиготности

В то время, когда в 1950-х годах молекулярная биология только зарождалась, велись продолжительные дебаты (противоречие о классическом балансе) о причинах гетерозиса — увеличения приспособленности, наблюдаемого при ауткроссинге инбредных линий. В 1950 году Джеймс Ф. Кроу предложил два различных объяснения (позже названных классической и балансовой позицией), основанные на парадоксе, впервые сформулированном Дж. Б. С. Холдейном в 1937 году: влияние вредных мутаций на среднюю приспособленность популяции зависит только от уровня мутации (а не степень вреда, причиняемого каждой мутацией), поскольку более вредные мутации устраняются быстрее в результате естественного отбора, а менее вредные мутации дольше сохраняются в популяции. Г. Дж. Мюллер назвал это « генетической нагрузкой ».

Мюллер, мотивированный своей обеспокоенностью по поводу воздействия радиации на человеческие популяции, утверждал, что гетерозис является прежде всего результатом вредных гомозиготных рецессивных аллелей, эффекты которых маскируются при скрещивании отдельных линий — это была гипотеза доминирования , часть того, что Добжанский обозначили классическую позицию . Таким образом, ионизирующая радиация и возникающие в результате мутации создают значительную генетическую нагрузку, даже если смерть или болезнь не происходят в подвергшемся воздействию поколении, а в отсутствие мутаций естественный отбор будет постепенно увеличивать уровень гомозиготности. Брюс Уоллес , работая с Дж. Кингом , использовал гипотезу сверхдоминирования для разработки положения баланса , которое оставило большее место для сверхдоминирования (когда гетерозиготное состояние гена более подходит, чем гомозиготные состояния). В этом случае гетерозис является просто результатом повышенного выражения преимуществ гетерозигот . Если сверхдоминантные локусы являются общими, то высокий уровень гетерозиготности будет результатом естественного отбора, а радиация, вызывающая мутации, может фактически способствовать увеличению приспособленности из-за сверхдоминирования. (Такого же мнения придерживался и Добжанский.)

Дебаты продолжались до 1950-х годов, постепенно становясь центром внимания популяционной генетики. Исследование дрозофилы , проведенное Уоллесом в 1958 году, показало, что радиационно-индуцированные мутации повышают жизнеспособность ранее гомозиготных мух, что доказывает преимущество гетерозигот и положение баланса; Уоллес подсчитал, что 50% локусов в природных популяциях дрозофилы были гетерозиготными. Последующий математический анализ Мотоо Кимуры подтвердил то, что Кроу предположил в 1950 году: даже если сверхдоминантные локусы редки, они могут быть ответственны за непропорционально большое количество генетической изменчивости. Соответственно, Кимура и его наставник Кроу встали на сторону классической позиции. Дальнейшее сотрудничество Кроу и Кимуры привело к созданию модели бесконечных аллелей , которую можно было использовать для расчета количества различных аллелей, ожидаемых в популяции, в зависимости от размера популяции, скорости мутаций и того, были ли мутантные аллели нейтральными, сверхдоминантными или вредными. Таким образом, модель бесконечных аллелей предлагала потенциальный способ выбора между классической и балансовой позициями, если можно было найти точные значения уровня гетерозиготности.

К середине 1960-х годов методы биохимии и молекулярной биологии, в частности электрофорез белков , предоставили способ измерения уровня гетерозиготности в природных популяциях: возможный способ разрешения спора о классическом балансе. В 1963 году Джек Л. Хабби опубликовал электрофорезное исследование вариаций белков у дрозофилы ; вскоре после этого Хабби начал сотрудничать с Ричардом Левонтином, чтобы применить метод Хабби к противоречию в классическом балансе путем измерения доли гетерозиготных локусов в естественных популяциях. Их две знаковые статьи, опубликованные в 1966 году, установили значительный уровень гетерозиготности дрозофилы (в среднем 12%). Однако эти результаты оказалось трудно интерпретировать. Большинство популяционных генетиков (включая Хабби и Левонтина) отвергли возможность широко распространенных нейтральных мутаций; объяснения, не связанные с отбором, были анафемой для господствующей эволюционной биологии. Хабби и Левонтин также исключили преимущество гетерозигот как основную причину из-за нагрузки, которую оно повлечет за собой сегрегации , хотя критики утверждали, что полученные данные на самом деле хорошо согласуются с гипотезой сверхдоминирования.

Белковые последовательности и молекулярные часы

В то время как биологи-эволюционисты осторожно занимались молекулярной биологией, молекулярные биологи быстро обратили свое внимание на эволюцию.

После разработки основ секвенирования белков с помощью инсулина в период с 1951 по 1955 год Фредерик Сэнгер и его коллеги опубликовали ограниченное межвидовое сравнение последовательности инсулина в 1956 году. Фрэнсис Крик , Чарльз Сибли и другие признали потенциал использования биологических последовательностей для построения филогений, хотя таких последовательностей еще было мало. К началу 1960-х годов методы секвенирования белков достигли такой степени, что стало возможным прямое сравнение гомологичных аминокислотных последовательностей. В 1961 году Эмануэль Марголиаш и его коллеги завершили последовательность цитохрома с лошади (более длинного и более широко распространенного белка, чем инсулин), за которым в короткие сроки последовал ряд других видов.

В 1962 году Лайнус Полинг и Эмиль Цукеркандль предложили использовать количество различий между гомологичными белковыми последовательностями для оценки времени, прошедшего с момента . Эта идея пришла в голову Цукеркандлу примерно в 1960 или 1961 году расхождения . секвенсор Вальтера Шредера ; эти последовательности не только подтвердили общепринятую филогению позвоночных, но и гипотезу (впервые предложенную в 1957 году) о том, что различные цепи глобина внутри одного организма также могут быть связаны с общим предковым белком. Между 1962 и 1965 годами Полинг и Цукеркандль уточнили и развили эту идею, которую они назвали молекулярными часами , а Эмиль Л. Смит и Эмануэль Марголиаш расширили анализ до цитохрома с. Ранние расчеты молекулярных часов довольно хорошо согласовывались с установленными временами расхождения, основанными на палеонтологических данных. эволюции вида Однако основная идея молекулярных часов — что отдельные белки развиваются с постоянной скоростью, независимой от морфологической — была чрезвычайно провокационной (как и предполагали Полинг и Цукеркандль).

«Молекулярные войны»

С начала 1960-х годов молекулярная биология все чаще рассматривалась как угроза традиционному ядру эволюционной биологии. Признанные биологи-эволюционисты, особенно Эрнст Майр , Феодосий Добжанский и Г.Г. Симпсон , трое основоположников современного эволюционного синтеза 1930-х и 1940-х годов, крайне скептически относились к молекулярным подходам, особенно когда речь шла о связи (или ее отсутствии) с природными выбор . Молекулярная эволюция в целом – и молекулярные часы в частности – не давала особых оснований для изучения эволюционной причинности. Согласно гипотезе молекулярных часов, белки развивались практически независимо от обусловленных окружающей средой сил отбора; это резко противоречило распространенному в то время панселекционизму . Более того, Полинг, Цукеркандль и другие молекулярные биологи все более смело заявляли о значении «информационных макромолекул» (ДНК, РНК и белков) для всех биологических процессов, включая эволюцию. Борьба между биологами-эволюционистами и молекулярными биологами (причем каждая группа считала свою дисциплину центром биологии в целом) была позже названа «молекулярными войнами» Эдвардом О. Уилсоном , который на собственном опыте испытал доминирование на своем биологическом факультете молодых людей. молекулярные биологи в конце 1950-х и 1960-х годах.

В 1961 году Майр начал отстаивать четкое различие между функциональной биологией (которая рассматривала непосредственные причины и задавала вопросы «как») и эволюционной биологией (которая рассматривала конечные причины и задавала вопросы «почему»). Он утверждал, что и дисциплины, и отдельных ученых можно классифицировать либо с функциональной , либо с эволюционной стороны, и что эти два подхода к биологии дополняют друг друга. Майр, Добжанский, Симпсон и другие использовали это различие, чтобы доказать сохраняющуюся актуальность биологии организмов, которая быстро уступала позиции молекулярной биологии и связанным с ней дисциплинам в борьбе за финансирование и поддержку университетов. Именно в этом контексте Добжанский впервые опубликовал свое знаменитое утверждение: « Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции », в статье 1964 года, подтверждающей важность биологии организмов перед лицом молекулярной угрозы; Добжанский охарактеризовал молекулярные дисциплины как « картезианские » (редукционистские), а организменные дисциплины как « дарвиновские ».

Майр и Симпсон присутствовали на многих первых конференциях, на которых обсуждалась молекулярная эволюция, критикуя то, что они считали чрезмерно упрощенным подходом к молекулярным часам. Молекулярные часы, основанные на единой скорости генетических изменений, вызванных случайными мутациями и дрейфом, казались несовместимыми с различными скоростями эволюции и адаптивными процессами, обусловленными окружающей средой (такими как адаптивное излучение ), которые были одними из ключевых достижений эволюционного синтеза. На конференции Веннера-Грена 1962 года, коллоквиуме 1964 года по эволюции белков крови в Брюгге ) (Бельгия и конференции 1964 года по эволюции генов и белков в Рутгерском университете они напрямую сотрудничали с молекулярными биологами и биохимиками, надеясь сохранить центральную точку зрения. место дарвиновских объяснений в эволюции по мере распространения ее исследований на новые области.

Геноцентрированный взгляд на эволюцию

Хотя это не было напрямую связано с молекулярной эволюцией, в середине 1960-х годов также наблюдался подъем геноцентрированного взгляда на эволюцию , стимулированного Джорджем К. Уильямсом « Адаптация и естественный отбор» (1966). Дебаты по поводу единиц отбора , особенно споры по поводу группового отбора , привели к усилению внимания к отдельным генам (а не к целым организмам или популяциям) как теоретической основе эволюции. Однако повышенное внимание к генам не означало сосредоточения внимания на молекулярной эволюции; Фактически, адаптационизм, продвигаемый Уильямсом и другими эволюционными теориями, еще больше маргинализировал явно неадаптивные изменения, изучаемые молекулярными эволюционистами.

Нейтральная теория молекулярной эволюции

Дополнительная информация: Нейтральная теория молекулярной эволюции.

Интеллектуальная угроза молекулярной эволюции стала более явной в 1968 году, когда Мотоо Кимура представил нейтральную теорию молекулярной эволюции . Основываясь на доступных исследованиях молекулярных часов (гемоглобина у самых разных млекопитающих, цитохрома с у млекопитающих и птиц и триозофосфатдегидрогеназы у кроликов и коров), Кимура (при содействии Томоко Охта ) рассчитал среднюю скорость замены одного основания в ДНК. смена пар на 300 пар оснований (кодирующих 100 аминокислот) за 28 миллионов лет. Для геномов млекопитающих это указывает на частоту замен, составляющую одну каждые 1,8 года, что привело бы к неприемлемо высокой нагрузке замен , если бы преобладание замен не было избирательно нейтральным. Кимура утверждал, что нейтральные мутации происходят очень часто, и этот вывод согласуется с результатами электрофоретических исследований гетерозиготности белков. Кимура также применил свою более раннюю математическую работу по генетическому дрейфу, чтобы объяснить, как нейтральные мутации могут закрепиться даже в отсутствие естественного отбора; вскоре он убедил Джеймса Ф. Кроу в потенциальной силе нейтральных аллелей и генетического дрейфа.

За теорией Кимуры, лишь кратко описанной в письме в журнал Nature , вскоре последовал более содержательный анализ Джека Л. Кинга и Томаса Х. Джукса , которые назвали свою первую статью на эту тему « Недарвиновская эволюция ». Хотя Кинг и Джакс дали гораздо более низкие оценки скорости замещения и результирующей генетической нагрузки в случае ненейтральных изменений, они согласились, что нейтральные мутации, вызванные генетическим дрейфом, были одновременно реальными и значимыми. Достаточно постоянную скорость эволюции, наблюдаемую для отдельных белков, нелегко объяснить без привлечения нейтральных замен (хотя Г.Г. Симпсон и Эмиль Смит пытались). Джукс и Кинг также обнаружили сильную корреляцию между частотой встречаемости аминокислот и количеством различных кодонов, кодирующих каждую аминокислоту. Это указывало на то, что замены в белковых последовательностях в значительной степени являются продуктом случайного генетического дрейфа.

Статья Кинга и Джакса, особенно с провокационным названием, была воспринята как прямой вызов господствующему неодарвинизму и поставила молекулярную эволюцию и нейтральную теорию в центр эволюционной биологии. Он предоставил механизм молекулярных часов и теоретическую основу для изучения более глубоких вопросов молекулярной эволюции, таких как взаимосвязь между скоростью эволюции и функциональной значимостью. Возникновение нейтральной теории ознаменовало синтез эволюционной биологии и молекулярной биологии, хотя и неполный.

Имея более прочную теоретическую основу, в 1971 году Эмиль Цукеркандл и другие молекулярные эволюционисты основали Журнал молекулярной эволюции .

Дебаты нейтралистов и селекционистов и почти нейтралитет

Критические отклики на нейтральную теорию, появившиеся вскоре, ознаменовали начало дебатов нейтралистов и селекционистов . Короче говоря, селекционисты рассматривали естественный отбор как основную или единственную причину эволюции, даже на молекулярном уровне, в то время как нейтралисты считали, что нейтральные мутации широко распространены и что генетический дрейф является решающим фактором в эволюции белков. Кимура стал самым видным защитником нейтральной теории, которая будет его основным направлением до конца его карьеры. Вместе с Охтой он переориентировал свои аргументы на скорость, с которой дрейф может фиксировать новые мутации в конечных популяциях, на значение постоянных скоростей эволюции белков и на функциональные ограничения эволюции белков, описанные биохимиками и молекулярными биологами. Хотя Кимура изначально разработал нейтральную теорию отчасти как результат классической позиции в полемике о классическом балансе (предсказывая высокую генетическую нагрузку как следствие ненейтральных мутаций), он постепенно преуменьшил значение своего первоначального аргумента о том, что сегрегационная нагрузка будет невероятно высокой. без нейтральных мутаций (которые отвергли многие селекционисты и даже коллеги-нейтралисты Кинг и Джакс).

С 1970-х по начало 1980-х годов как селекционисты, так и нейтралисты могли объяснить наблюдаемый высокий уровень гетерозиготности в природных популяциях, предполагая разные значения неизвестных параметров. В начале дебатов ученица Кимуры Томоко Ота сосредоточила внимание на взаимодействии между естественным отбором и генетическим дрейфом, который был важен для мутаций, которые не были строго нейтральными, но почти таковыми. В таких случаях отбор будет конкурировать с дрейфом: наиболее мало вредные мутации будут устранены естественным отбором или случайностью; некоторые перешли бы к фиксации посредством дрейфа. Поведение этого типа мутации, описываемое уравнением, сочетающим в себе математику нейтральной теории с классическими моделями, стало основой почти нейтральной теории молекулярной эволюции Оты .

В 1973 году Охта опубликовал короткое письмо в журнале Nature. предполагая, что широкий спектр молекулярных данных подтверждает теорию о том, что большинство событий мутаций на молекулярном уровне скорее слегка вредны, чем строго нейтральны. Молекулярные эволюционисты обнаружили, что, хотя скорость эволюции белков (соответствующая молекулярным часам ) практически не зависит от времени генерации , скорость дивергенции некодирующей ДНК обратно пропорциональна времени генерации. Отметив, что размер популяции обычно обратно пропорционален времени генерации, Томоко Охта предположил, что большинство аминокислотных замен слегка вредны, в то время как некодирующие замены ДНК более нейтральны. В этом случае более высокая скорость нейтральной эволюции белков, ожидаемая в небольших популяциях (из-за генетического дрейфа), компенсируется более длительным временем генерации (и наоборот), но в больших популяциях с коротким временем генерации некодирующая ДНК эволюционирует быстрее, а эволюция белков замедляется отбором (который более значителен, чем дрейф для больших популяций).

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. Однако, по мнению Охты, почти нейтральная теория в значительной степени потеряла популярность в конце 1980-х годов из-за математически более простой нейтральной теории для широко распространенных исследований в области молекулярной систематики , которые процветали после появления быстрого секвенирования ДНК . Когда в 1990-х годах более детальные 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.

Микробная филогения

В то время как ранние работы в области молекулярной эволюции были сосредоточены на легко секвенируемых белках и относительно недавней истории эволюции, к концу 1960-х годов некоторые молекулярные биологи продвинулись дальше к основанию древа жизни, изучая высококонсервативные последовательности нуклеиновых кислот. Карл Везе , молекулярный биолог, чьи ранние работы были посвящены генетическому коду и его происхождению, начал использовать малую субъединицу рибосомальной РНК для реклассификации бактерий по генетическому (а не морфологическому) сходству. Поначалу работа шла медленно, но ускорилась по мере разработки новых методов секвенирования в 1970-х и 1980-х годах. К 1977 году Вёзе и Джордж Фокс объявили, что у некоторых бактерий, таких как метаногены , отсутствуют единицы рРНК, на которых основывались филогенетические исследования Вёзе; они утверждали, что эти организмы на самом деле достаточно отличаются от обычных бактерий и так называемых высших организмов, чтобы сформировать собственное царство, которое они назвали архебактериями . Хотя работа Вёзе поначалу вызывала споры (и снова подвергалась сомнению в конце 1990-х годов), она стала основой современной теории. трехдоменная система архей . , бактерий и эукариев (заменяющая пятидоменную систему, возникшую в 1960-х годах)

Работа над микробной филогенией также приблизила молекулярную эволюцию к клеточной биологии и исследованиям происхождения жизни . Различия между архей указали на важность РНК в ранней истории жизни. В своей работе с генетическим кодом Везе предположил, что жизнь, основанная на РНК, предшествовала нынешним формам жизни, основанной на ДНК, как и несколько других до него — идея, которую Уолтер Гилберт позже назовет « миром РНК ». Во многих случаях геномные исследования 1990-х годов выявили филогении, противоречащие результатам, основанным на рРНК, что привело к признанию широко распространенного латерального переноса генов между отдельными таксонами. В сочетании с вероятным эндосимбиотическим происхождением эукарий, наполненных органеллами , это указывало на гораздо более сложную картину происхождения и ранней истории жизни, которую невозможно описать в традиционных терминах общего происхождения.

Примечания

• Дитрих, Майкл Р. «Истоки нейтральной теории молекулярной эволюции». Журнал истории биологии , Vol. 27, № 1 (весна 1994 г.), стр. 21–59.
• Дитрих, Майкл Р. (1998). «Парадокс и убеждение: обсуждение места молекулярной эволюции в эволюционной биологии». Журнал истории биологии . 31 (1): 85–111. дои : 10.1023/А:1004257523100 . ПМИД   11619919 . S2CID   29935487 .
• Кроу, Джеймс Ф. «Мотоо Кимура, 13 ноября 1924 г. - 13 ноября 1994 г.». Биографические мемуары членов Королевского общества , Vol. 43 (ноябрь 1997 г.), стр. 254–265.
• Хаген, Джоэл Б. (1999). «Натуралисты, молекулярные биологи и проблемы молекулярной эволюции». Журнал истории биологии . 32 (2): 321–341. дои : 10.1023/А:1004660202226 . ПМИД   11624208 . S2CID   26994015 .
• Крейтман, Мартин. «Дебаты нейтралистов и селекционистов: нейтральная теория мертва. Да здравствует нейтральная теория», BioEssays , Vol. 18, № 8 (1996), стр. 678–684.
• Морган, Грегори Дж. (1998). «Эмиль Цукеркандл, Лайнус Полинг и молекулярные эволюционные часы, 1959–1965». Журнал истории биологии . 31 (2): 155–178. дои : 10.1023/А:1004394418084 . ПМИД   11620303 . S2CID   5660841 .
• Охта, Томоко . «Дебаты нейтралистов и селекционистов: современное значение и положение нейтральных и почти нейтральных теорий», BioEssays , Vol. 18, № 8 (1996), стр. 673–677.
• Сапп, Ян. Бытие: эволюция биологии . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета, 2003. ISBN   0-19-515618-8
• Уилсон, Эдвард О. Натуралист . Уорнер Букс, 1994. ISBN   0-446-67199-1
• Цукеркандль, Эмиль (1987). «О молекулярных эволюционных часах». Журнал молекулярной эволюции . 26 (1–2): 34–46. Бибкод : 1987JMolE..26...34Z . дои : 10.1007/BF02111280 . ПМИД   3125336 . S2CID   3616497 .

Внешние ссылки

• Перспективы молекулярной эволюции - поддерживается историком науки Майклом Р. Дитрихом.