Почти нейтральная теория молекулярной эволюции

Почти нейтральная теория молекулярной эволюции представляет собой модификацию нейтральной теории молекулярной эволюции. этим объясняется 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. 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 прогнозируется, что скорость их эволюции будет зависеть от размера популяции / времени генерации, в отличие от скорости несинонимичных изменений.

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 (что более важно, чем дрейф для больших популяций). 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.

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 вышла из моды в конце 1980-х годов, поскольку она была математически более простой нейтральной теорией 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.

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, $\rho$ является

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

где $u$ это скорость мутации, $g$ время генерации, и $N_{e}$ — эффективная численность населения. Последний член представляет собой вероятность того, что новая мутация зафиксируется . Ранние модели предполагали, что $u$ является постоянным между видами, и что $g$ увеличивается с $N_{e}$. Уравнение Кимуры для вероятности фиксации в гаплоидной популяции дает:

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

где $s$ – коэффициент отбора мутации. Когда $|s|\ll {\frac {1}{N_{e}}}$(полностью нейтральный), $P_{fix}={\frac {1}{N_{e}}}$, и когда $-s\gg {\frac {1}{N_{e}}}$ (крайне вреден), $P_{fix}$ уменьшается почти экспоненциально с $N_{e}$. Мутации с $-s\simeq {\frac {1}{N_{e}}}$ называются почти нейтральными мутациями. Эти мутации можно исправить в небольших количествах. $N_{e}$ популяций посредством генетического дрейфа . В целом- $N_{e}$ в популяциях эти мутации удаляются отбором. Если почти нейтральные мутации распространены, то доля, для которой $P_{fix}\ll {\frac {1}{N_{e}}}$ зависит от $N_{e}$

Эффект почти нейтральных мутаций может зависеть от колебаний $s$. В ранних работах использовалась «сменная модель», в которой $s$ может варьироваться в зависимости от поколения, но после фиксации средняя приспособленность популяции сбрасывается до нуля. В основном это предполагает распределение $s$ является константой (в этом смысле рассуждения в предыдущих параграфах можно рассматривать как основанные на «модели смены»). Это предположение может привести к неопределенному улучшению или ухудшению функции белка. Альтернативно, более поздняя «фиксированная модель» фиксирует распределение влияния мутаций на функцию белка, но позволяет средней приспособленности популяции развиваться. Это позволяет распределять $s$ меняться вместе со средней приспособленностью населения.

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

«Фиксированная модель» расширяет почти нейтральную теорию. Тачида классифицировали эволюцию по «фиксированной модели», основанной на продукте $N_{e}$ и дисперсия в распределении $s$: большой продукт соответствует адаптивной эволюции, промежуточный продукт соответствует почти нейтральной эволюции, а малый продукт соответствует почти нейтральной эволюции. Согласно этой классификации, незначительно выгодные мутации могут способствовать почти нейтральной эволюции.

Теория «дрейфового барьера»

Майкл Линч предположил, что вариации в способности удалять слегка вредные мутации (т.е. вариации в $N_{e}$) может объяснить различия в архитектуре генома среди видов, например, размер генома или скорость мутаций. 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. Это может объяснить, почему Escherichia coli имеет более высокий уровень ошибок транскрипции, чем Saccharomyces cerevisiae . 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 ошибок C в U дезаминирования с высокой частотой ошибок в S. . cerevisiae .

См. также

• История молекулярной эволюции

Внешние ссылки

• Почти нейтральная теория молекулярной эволюции . Перспективы молекулярной эволюции