Генетическая насыщенность
Генетическое насыщение является результатом множественных замен в одном и том же сайте последовательности или идентичных замен в разных последовательностях, так что кажущаяся скорость расхождения последовательностей ниже, чем фактическая дивергенция, которая произошла. [ 1 ] При сравнении двух или более генетических последовательностей, состоящих из одиночных нуклеотидов, наблюдаемые различия в последовательностях представляют собой лишь различия в конечном состоянии нуклеотидной последовательности. Отдельные нуклеотиды, подвергающиеся генетическому насыщению, изменяются несколько раз, иногда возвращаясь к исходному нуклеотиду или к нуклеотиду, общему для сравниваемой генетической последовательности. Без генетической информации от промежуточных таксонов трудно узнать, насколько произошло насыщение наблюдаемой последовательности и произошло ли какое-либо насыщение. [ 2 ] Генетическое насыщение происходит быстрее всего в быстроразвивающихся последовательностях, таких как гипервариабельная область митохондриальной ДНК, или в коротких тандемных повторах, таких как Y-хромосома . [ 3 ] [ 4 ]
В филогенетике эффекты насыщения приводят к притяжению длинных ветвей , когда самые отдаленные линии имеют обманчиво короткую длину ветвей. Это также уменьшает филогенетическую информацию, содержащуюся в последовательностях. [ 5 ]
Филогенетическое насыщение
[ редактировать ]Множественные замены
[ редактировать ]Множественные замены происходят, когда отдельные нуклеотиды претерпевают множественные изменения, прежде чем достигнут своей окончательной нуклеотидной идентичности. Последовательность называется насыщенной, потому что мутация воздействовала на нуклеотиды несколько раз, и наблюдаемое изменение последовательности фактически меньше, чем историческое изменение последовательности. [ 1 ]
Обнаружение
[ редактировать ]Оценить степень насыщения, которому могла бы подвергнуться последовательность, можно, оценив скорость замены генетической последовательности и сколько времени прошло с момента дивергенции. Уровень расхождения оценивается на основе различных источников, включая ДНК предков, записи окаменелостей и биографические события. [ 6 ] Такое использование молекулярных часов для определения дивергенции является спорным из-за потенциальной неточности и допущений, сделанных в модели (например, согласованная частота мутаций для всех ветвей), и используется в основном в качестве инструмента оценки. [ 6 ] Генетическое насыщение также можно оценить путем сравнения количества наблюдаемых различий в нуклеотидных последовательностях между несколькими парами видов. Количество наблюдаемых замен между последовательностями разных видов можно сравнить с количеством предполагаемых замен на основе длины ветви, чтобы найти приблизительную точку, в которой количество предполагаемых замен превышает количество наблюдаемых замен. [ 6 ] [ 7 ] Этот метод может дать исследователям представление об уровне насыщения конкретного гена, но считается, что он недооценивает степень насыщения, особенно для очень больших длин ветвей. [ 2 ]
Влияние на филогенетику
[ редактировать ]В области молекулярной филогенетики расстояния и взаимоотношения между видами исследуются путем изучения последовательностей ДНК, РНК или аминокислот организма. Когда филогенетические деревья строятся без учета возможного насыщения, возможность множественных замен может привести к тому, что расстояние между таксонами окажется намного меньшим, чем истинное расстояние. Множественное выравнивание последовательностей , распространенный метод построения филогении, основан на сравнении гомологичных последовательностей. Его легко сбить с толку из-за генетического насыщения, поскольку исследуемые гомологичные локусы не показывают, разделяет ли описываемые таксоны более одной замены в каждом нуклеотиде. [ 1 ] Замена уменьшает количество филогенетической информации, которая может содержаться в последовательностях, особенно когда задействованы глубокие ветви. Это особенно очевидно в исследованиях, посвященных группам членистоногих. [ 8 ] Более того, эффекты насыщения могут привести к существенной недооценке времени дивергенции. В основном это связано с рандомизацией филогенетического сигнала по количеству наблюдаемых мутаций и замен последовательностей. Эффекты насыщения могут маскировать истинное количество времени расхождения, что приводит к неточным филогенетическим деревьям. [ 1 ] [ 2 ]
Принцип экономности в анализе генетической насыщенности
[ редактировать ]Экономия играет фундаментальную роль в анализе генетического насыщения. Этот принцип отдает предпочтение самому простому объяснению, которое может объяснить данные. Что касается генетической насыщенности, экономия означает, что предполагаемое родство имеет наименьшее количество изменений характера. Использование экономии для анализа генетической насыщенности может привести к конфликту при создании филогенетического дерева. [ 7 ] Когда используются только данные о последовательностях, можно создать множество филогенетических деревьев с одинаковой экономией.
Аттракцион «Длинная ветка»
[ редактировать ]Генетическое насыщение способствует привлечению длинных ветвей, поскольку оно способно сильно смешивать генетический код без легко наблюдаемых связанных фенотипических изменений. Притяжение длинных ветвей происходит, когда два относительно отдаленных таксона кажутся тесно связанными. [ 1 ] Чем больше мутаций замещения, тем больше вероятность того, что ранее несходные последовательности будут иметь общие нуклеотиды и, как следствие, продемонстрировать гомологию в расчетах филогенетического дерева. Было высказано предположение, что притяжение длинных ветвей из-за насыщения является причиной связей в древних филогениях и ставит под сомнение даже некоторые из самых ранних взаимоотношений между эукариотами , архей и эубактериями . [ 2 ]
Другие варианты использования «насыщения» в генетике
[ редактировать ]Насыщающий мутагенез генных сайтов
[ редактировать ]Мутагенез с насыщением сайтов генов (GSSM) — это метод мутагенеза одного или нескольких кодонов в гене с целью создания библиотеки вариантов, охватывающей все остальные кодоны в этом положении. [ 9 ] Он используется в биохимии и белковой инженерии для изучения функций и характеристик определенных аминокислотных последовательностей. [ 9 ] Эта системная идентификация аминокислотных замен позволяет исследователям рассматривать все возможные варианты каждой позиции. Это предоставит важную структурную информацию об интересующем белке и позволит определить аминокислотные последовательности, которые более важны для функции белка. [ 9 ] [ 10 ]
Исследователи часто склоняются к использованию одноэтапной ПЦР для изучения конкретных эффектов различных вариаций интересующей аминокислоты в белке с GSSM. [ 11 ] Используя одноэтапный подход, основанный на ПЦР, исследователи создают праймер, который на двух концах имеет последовательность, соответствующую интересующему белку. Заменяется только один кодон из трехкодонов аминокислотной последовательности. [ 10 ]
Тип набора кодонов будет определять количество последовательностей, которые можно получить из GSSM. Чтобы определить, какой набор кодонов использовать, исследователям необходимо будет проверить качество библиотеки на уровне ДНК, а это означает, что необходимы обширные данные о последовательностях. Если все три позиции можно заменить на каждый из четырех различных нуклеотидов, исследователи смогут закодировать все 20 аминокислот. [ 10 ] Хотя можно закодировать все 20 аминокислот, это не самый эффективный метод. Наиболее эффективный метод — использовать вырожденность кодонов NNK, также известную как ограниченный набор кодонов. [ 12 ] Этот метод даст только 32 кодона, а не 64. [ 10 ]
Преимущества ГССМ
[ редактировать ]По сравнению с другими методами GSSM может предложить уникальные преимущества, такие как:
- Полный анализ каждой позиции в данном гене, который может быть полезен при определении критических позиций. Критические позиции выявляются путем анализа масштабности последствий мутагенеза — как положительных, так и отрицательных. GSSM также может идентифицировать позиции, которые являются более гибкими, поскольку GSSM в этих позициях будет оказывать меньшее влияние на аминокислоту. [ 9 ]
- Анализ, специфичный для остатков, который позволяет исследователям создать схематическое изображение аминокислоты. Это позволяет проводить более сложные и детальные генетические исследования в дальнейших исследованиях. [ 9 ]
- Способность рассматривать эффекты различных аминокислот, не зная никакой структурной информации о белке. Собранные данные могут затем дать ценную информацию в этой области. [ 9 ]
- Быстрые сроки доставки и экономичность. [ 9 ]
GSSM смог открыть целый рубеж в генетических исследованиях, поскольку он произвел революцию в фундаментальных представлениях о ДНК. До GSSM исследователи мутировали ДНК с помощью радиации или различных химикатов. Оба эти метода неточны. [ 13 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Филипп Х., Бринкманн Х., Лавров Д.В., Литтлвуд Д.Т., Мануэль М., Верхайде Г., Баурен Д. (март 2011 г.). «Решение сложных филогенетических вопросов: почему недостаточно большего количества последовательностей» . ПЛОС Биология . 9 (3): e1000602. дои : 10.1371/journal.pbio.1000602 . ПМК 3057953 . ПМИД 21423652 .
- ^ Jump up to: а б с д Филипп Х, Фортер П (октябрь 1999 г.). «Укоренение вселенского древа жизни ненадежно». Журнал молекулярной эволюции . 49 (4): 509–23. Бибкод : 1999JMolE..49..509P . дои : 10.1007/PL00006573 . ПМИД 10486008 . S2CID 20350374 .
- ^ Хенн Б.М., Жиньу Ч.Р., Фельдман М.В., Маунтин Дж.Л. (январь 2009 г.). «Характеристика временной зависимости оценок скорости мутаций митохондриальной ДНК человека» . Молекулярная биология и эволюция . 26 (1): 217–30. дои : 10.1093/molbev/msn244 . ПМИД 18984905 .
- ^ Хо С.Ю., Филлипс М.Дж., Купер А., Драммонд А.Дж. (июль 2005 г.). «Зависимость оценок молекулярной скорости от времени и систематическое завышение времени недавних расхождений» . Молекулярная биология и эволюция . 22 (7): 1561–8. дои : 10.1093/molbev/msi145 . ПМИД 15814826 .
- ^ Абылгазиева Н.А. (01.01.2003). «[Случай «почечного диабета»]». Здравоохранение Киргизии . 26 (3): 49–51. дои : 10.1016/S1055-7903(02)00326-3 . ПМИД 7903 .
- ^ Jump up to: а б с ван Туйнен М., Дайк Г.Дж. (январь 2004 г.). «Калибровка галлиформных молекулярных часов с использованием нескольких окаменелостей и генетических разделов». Молекулярная филогенетика и эволюция . 30 (1): 74–86. Бибкод : 2004МОЛПЭ..30...74В . дои : 10.1016/S1055-7903(03)00164-7 . ПМИД 15022759 .
- ^ Jump up to: а б Давалос Л.М., Перкинс С.Л. (май 2008 г.). «Смещение насыщения и основного состава объясняет филогеномный конфликт у плазмодия». Геномика . 91 (5): 433–42. дои : 10.1016/j.ygeno.2008.01.006 . ПМИД 18313259 .
- ^ Сандерс К.Л., Ли М.С. (20 апреля 2009 г.). «Время молекулярной дивергенции членистоногих и кембрийское происхождение пентастомид» . Систематика и биоразнообразие . 8 (1): 63–74. дои : 10.1080/14772000903562012 . S2CID 84880682 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Чжэн Л., Бауманн У., Реймонд Дж.Л. (август 2004 г.). «Эффективный одноэтапный протокол сайт-направленного и сайт-насыщенного мутагенеза» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (14): е115. дои : 10.1093/нар/gnh110 . ПМК 514394 . ПМИД 15304544 .
- ^ Jump up to: а б с д Лопес П., Фортер П., Филипп Х (октябрь 1999 г.). «Корень древа жизни в свете коварионной модели». Журнал молекулярной эволюции . 49 (4): 496–508. Бибкод : 1999JMolE..49..496L . дои : 10.1007/pl00006572 . ПМИД 10486007 . S2CID 22835829 .
- ^ Ли А., Асеведо-Роча К.Г., Ритц М.Т. (июль 2018 г.). «Повышение эффективности сайт-насыщенного мутагенеза для гена, который трудно рандомизировать, с помощью двухэтапной стратегии ПЦР» . Прикладная микробиология и биотехнология . 102 (14): 6095–6103. дои : 10.1007/s00253-018-9041-2 . ПМК 6013526 . ПМИД 29785500 .
- ^ Крец К.А., Ричардсон Т.Х., Грей К.А., Робертсон Д.Е., Тан X, Шорт Дж.М. (6 августа 2004 г.). «Мутагенез с насыщением сайтов генов: комплексный подход к мутагенезу». Белковая инженерия . Методы энзимологии. Том. 388. стр. 3–11. дои : 10.1016/S0076-6879(04)88001-7 . ISBN 9780121827939 . ПМИД 15289056 .
- ^ Смит И., Пейн Дж., Кей Б. «Как Майкл Смит прославил сообщество медико-биологических наук Британской Колумбии, получив Нобелевскую премию 25 лет назад» . Ванкувер Сан . Проверено 24 сентября 2018 г.