1904 Nuttall przeprowadził testy precypitacyjne białek surowicy, aby wykazać związek filogenetyczny między różnymi grupami zwierząt. M. Prakash 2007.Encyclopaedia of Gene Evolution Vol. 2, Molecular Genetics, p. 42. Discovery Publishing House. India. http://www.biodiversitylibrary.org/title/8418#page/7/mode/1up 2 1963 Margoliash określa sekwencje aminokwasów dla cytochromu c w kilku taksonach i generuje pierwsze drzewo filogenetyczne dla określonego produktu genu. John C. Avise http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc221244/ 3 1965 Zuckerkandl i Pauling formułują hipotezę zegara molekularnego. http://en.wikipedia.org/wiki/history_of_molecular_evolution 1
1967 Fitch i Margoliash Pierwsze drzewo filogenetyczne opublikowane w Science Walter M. Fitch and Emanuel Margoliash 1967. Construction of phylogenetic trees. Science Vol. 155: p. 279-284 Walter M. Fitch and Emanuel Margoliash 1967. Construction of phylogenetic trees. Science Vol. 155: p. 279-284 http://www.sciencemag.org/content/155/3760/279.full.pdf 1968 Kimura proponuje neutralną teorię ewolucji zakładającą, że większość molekularnych zmian w ewolucji wynika z losowego dryfu neutralnych lub prawie neutralnych mutacji 1969 http://www.nature.com/nature/journal/v217/n5129/abs/217624a0.html John C. Avise 1994. Molecular Markers, Natural History and Evolution, p. 42. Chapman & Hall. New York, USA. King i Jukes rozwijają tezę teorii neutralnej (przeciwstawnej do teorii darwinistycznej) http://www.sciencemag.org/content/164/3881/788.citation Dwie teorie ewolucji molekularnej Teoria Darwina zakłada, że naturalna selekcja przebiega przez utrwalenie korzystnych mutacji w danym środowisku naturalnym Teoria neutralnej ewolucji zakłada, że utrwalanie mutacji jest całkowicie przypadkowe i zależne od dryfu genetycznego oraz, że mutacje, które różnicują ewolucyjnie gatunki są neutralne (a nie korzystne) dla organizmów 2
Przykład selekcji naturalnej w utrwalaniu zmian Anemia sierpowata: Osoby homozygotyczne pod względem allelu hemoglobiny HbA wytwarzają normalną hemoglobinę Osoby homozygotyczne względem allelu hemoglobiny HbS wytwarzają zmutowaną hemoglobinę (niedokrwistość sierpowatokrwinkowa: 80% zgonów) Osoby heterozygotyczne wykazują słabą niedokrwistość ale są znacznie bardziej odporne na malarię, co powoduje utrzymywanie się w odpowiednim środowisku danego allelu jako preferowanego Koszt doboru naturalnego Gdyby za różnorodność genetyczną odpowiadał dobór naturalny, czy nie byłoby prawdą, że osobniki z gorszymi allelami zostałyby selektywnie usunięte z populacji? Organizmy mogą wyginąć wraz z tą "wybiórczą śmiercią" - to zjawisko jest opisane jako koszt doboru naturalnego Koszt doboru naturalnego jest częścią ogólnego obciążenia genetycznego - utratą ogólnej sprawności z powodu szkodliwych alleli Teoria ewolucji neutralnej Wysoki poziom zmienności genetycznej mógłby zostać zachowany w populacjach bez nadmiernej selektywnej śmierci, gdyby dobór naturalny nie był siłą napędową w ewolucji molekularnej Mutacje neutralne mogą zostać utracone (często) lub utrwalone (bardzo rzadko) przez dryf genetyczny Neutralna teoria ewolucji molekularnej zakłada istnienie/ sprzężenie mutacji i dryfu genetycznego Szkoła selektywistów uważała, że dominującym czynnikiem jest selekcja Konsensus: selekcja usuwa szkodliwe allele Centralny dogmat: przypadek vs konieczność 3
Neutraliści Selekcjoniści szkodliwe Neutralne Korzystne Teoria ewolucji neutralnej Neutralna teoria nie jest anty-darwinistyczna: Twierdzi, że utrwalenie poprzez selekcję - główny proces ewolucji morfologicznej - zachodzi z małą częstotliwością Zakłada, że większość genów i białek jest już niemal optymalnie dostosowana poprzez selekcję Cztery główne prognozy teorii neutralnej: Istnieje odwrotna zależność między stopniem substytucji a stopniem ograniczenia funkcjonalnego działającego na gen Zmienność kodu i degeneracja kodonów odzwierciedlają raczej procesy mutacyjne niż selektywne Istnieje stała szybkość (zegar molekularny) ewolucji sekwencji Poziom zmian w obrębie gatunku jest iloczynem wielkości populacji i wskaźnika mutacji Geny ograniczone funkcjonalnie Geny o pośredniej funkcjonalności Niekodujący DNA Szkodliwe Neutralne 4
Funkcjonalne ograniczenie na poziomie nukleotydów Geny funkcjonalne Gen Pseudogeny wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 Mysz ψ α3 Człowiek ψ α1 Królik ψ β2 Koza ψ β x i ψ z 5.0 5.1 4.1 4.4 0.75 0.75 0.94 0.94 0.68 0.68 0.71 0.71 2.65 2.65 2.02 2.02 Średnio 4.7 0.85 0.70 2.34 Częstotliwość podstawienia nukleotydów, na rok x 10-9 Zegar molekularny α-globiny 1.00 600 Fossil divergence time Molecular divergence time Dayhoff distance (to humans) 0.75 0.50 0.25 Cow Shark Carp Frog Alligator Chicken Quoll 500 400 300 200 100 Myr ago Baboon Zegar molekularny α-globiny Gdy relacje między gatunkami są dalsze, liczba różnic aminokwasowych wydaje się proporcjonalnie wzrastać Zakładając, że czas rozbieżności jednego z punktów jest znany (ludzie i bydłowate rozeszli się 80 miliardów lat temu), można obliczyć inne czasy rozbieżności: 17 ze 149 aminokwasów (dystans Dayhoffa 0,131) jest różna między ludźmi a bydłowatymi 47 różnic (odległość 0,445 Dayhoffa) między ludźmi a aligatorami sugeruje, że ludzie i aligatory rozdzieliły się 3,4 x dawniej niż ludzie i krowy (ok 270 miliardów lat temu) Zapis kopalny sugeruje, że ludzie i aligatory rozdzieliły się ok 300 miliardów lat wcześniej: α-hemoglobina zachowuje się jak zegar molekularny 5
N = Całkowita liczba podstawień L = liczba porównywanych miejsc dla taksonów K = liczba podstawień na miejsce N/L Zegar molekularny białek Liczba podstawień na rok x 10-9 Fibrinopeptides 9.0 Kappa casein 3.3 Lactalbumin 2.7 Serum albumin 1.9 Lysozyme 0.98 Trypsin 0.59 Insulin 0.44 Cytochrome c 0.22 Histone H2B 0.09 Ubiquitin 0.010 Histone H4 0.010 corrected amino acid changes per 100 residues (m) Dickerson (1971) Millions of years since divergence 6
1972 Dystans genetyczny Nei a znacznie ułatwił badanie związków ewolucyjnych pomiędzy populacjami lub blisko spokrewnionymi gatunkami. M. Prakash 2007.Encyclopaedia of Gene Evolution Vol. 2, Molecular Genetics, p. 47. Discovery Publishing House. India. http://www.jstor.org/stable/2459777 Ewolucja molekularna Odkrycie, że DNA jest materiałem genetycznym, umożliwiło porównywanie odpowiednich genów nawet w odległych spokrewnionych gatunkach Sekwencje DNA i białka zawierają informacje o ewolucyjnych relacjach między gatunkami Badania porównawcze makromolekuł, badanie tego, jak i dlaczego ich sekwencje zmieniają się w czasie, to ewolucja molekularna Kumulacja różnic sekwencji w czasie jest podstawą systematyki molekularnej, która analizuje je w celu wnioskowania o relacjach ewolucyjnych Drzewo genów jest diagramem wywodzonej historii przodków danej grupy sekwencji Drzewo genowe jest tylko oszacowaniem prawdziwego wzorca relacji ewolucyjnych Ewolucja molekularna Drzewo genów niekoniecznie pokrywa się z drzewem gatunkowym: - Sortowanie polimorficznych alleli w różnych wersjach - Rekombinacja w genie umożliwia różnym częściom tego samego genu różne historie ewolucyjne 7
Ewolucja molekularna Szybkość ewolucji sekwencji część miejsc, które ulegają zmianie w pewnym wyznaczonym przedziale czasowym liczba wymian na miejsce na miliard lat Tempo ewolucji może się diametralnie różnić w zależności od białka Tempo ewolucji miejsc genomu różni się w zależności od ich funkcji Istnieją różne rodzaje wariantowości miejsc, w zależności od ich pozycji i funkcji w genomie Synonimiczna substytucja = brak zmiany w sekwencji aminokwasów = głównie w trzeciej pozycji kodonu Niesynonimiczna substytucja = zastąpienie aminokwasu Ewolucja molekularna Nowe geny zwykle ewoluują poprzez powielanie i nagromadzenie różnic Geny ortologiczne - powielane jako komplementujace w czasie specjacji, zachowują tę samą funkcję Geny paralogiczne = duplikowane w genomie tego samego gatunku, zyskują nową lub bardziej wyspecjalizowaną funkcję Pseudogeny = zduplikowane geny, które utraciły swoją funkcję 8
Wysycenie mutacji DNA Transwersje Nieskorygowany dystans genetyczny Skorygowany dystans genetyczny Tranzycje http://www.ccg.unam.mx/~vinuesa/images/ti_tv_saturation_plot.png zrównoważenie/zmienność oczyszczanie/dopasowanie selekcja/ukierunkowanie http://en.wikipedia.org/wiki/directional_selection Konwergencja: Niezależne nabycie podobnego charakteru przez dwa lub więcej taksonów, których wspólny przodek nie posiadał tej postaci; ogólnie odnosi się do bardziej odległych spokrewnionych taksonów, których przodek posiadał różną postać genu. Równoległość/ Zbieżność: Niezależne pozyskiwanie tych samych lub podobnych cech przez dwa lub więcej (tj. Podobne do zbieżności). Rodowód przodków posiadał ten sam stan postaci. Odwrócenie Ponowne pojawienie się przodka w wyniku utraty postaci pochodnej. 9