Войти
Адаптивная эволюция возникает в результате распространения выгодных мутаций через положительных выбор. Это современный синтез процесса, который Дарвин и Уоллес первоначально идентифицировали как механизм эволюции. Однако за последние полвека возникли серьезные споры о том, вызваны ли эволюционные изменения на молекулярном уровне в основном естественным отбором или случайным генетическим дрейфом. Неудивительно, что силы, которые вызывают эволюционные изменения в родословной нашего собственного вида, представляют особый интерес. Количественная оценка адаптивной эволюции в геноме человека дает представление о нашей собственной эволюционной истории и помогает разрешить эти дебаты нейтралистов-селекционистов. Выявление конкретных участков генома человека, демонстрирующих признаки адаптивной эволюции, помогает нам находить функционально значимые гены, включая гены, важные для здоровья человека, например, связанные с болезнями.
Методы, используемые для идентификации адаптивной эволюции, обычно разрабатываются для проверки нулевой гипотезы нейтральная эволюция, которая, если ее отвергнуть, свидетельствует об адаптивной эволюции. Эти тесты можно условно разделить на две категории.
Во-первых, существуют методы, использующие сравнительный подход для поиска свидетельств мутаций, изменяющих функцию. Тест отношения скоростей dN / dS оценивает ω, скорости, при которых несинонимичный ('dN') и синонимичный ('dS') нуклеотид происходят замены («синонимичные» нуклеотидные замены не приводят к изменению кодирующей аминокислоты, в то время как «несинонимичные» замены происходят). В этой модели нейтральная эволюция считается нулевой гипотезой, в которой dN и dS приблизительно уравновешиваются так, что ω ≈ 1. Две альтернативные гипотезы являются относительными. отсутствие несинонимичных замен (dN < dS; ω < 1), suggesting the effect on приспособленность («эффект приспособленности» или «давление отбора ») таких мутаций является отрицательным (очищающий отбор действует с течением времени; или относительный избыток несинонимичных замен (dN>dS; ω>1), указывающий на положительный эффект на приспособленность, т.е. диверсифицирующий отбор (Yang and Bielawski 2000).
Макдональд-Крейтман ( MK) количественно оценивает происходящую адаптивную эволюцию путем оценки доли несинонимичных замен, которые являются адаптивными, обозначаемых как α (McDonald and Kreitman 1991, Eyre-Walker 2006). Α рассчитывается как: α = 1- (dspn / dnps), где dn и ds такие же, как указано выше, а pn и ps - количество несинонимичных (эффект пригодности считается нейтральным или вредным) и синонимичных (предполагается эффект пригодности ed нейтральный) полиморфизмы соответственно (Eyre-Walker 2006).
Обратите внимание, что оба этих теста представлены здесь в основных формах, и эти тесты обычно значительно модифицируются, чтобы учесть другие факторы, такие как эффект слегка вредоносных мутаций.
В других методах обнаружения адаптивной эволюции используются общегеномные подходы, часто для поиска свидетельств выборочного поиска. Свидетельство полного избирательного сканирования проявляется в уменьшении генетического разнообразия и может быть выведено из сравнения паттернов частотного спектра сайта (SFS, то есть частотного распределения аллелей), полученных с SFS, ожидаемым в рамках нейтральной модели (Willamson et al. 2007). Частичный выборочный анализ обеспечивает свидетельство самой последней адаптивной эволюции, и методы идентифицируют адаптивную эволюцию путем поиска областей с высокой долей производных аллелей (Sabeti et al. 2006).
Изучение паттернов неравновесия по сцеплению (LD) может выявить признаки адаптивной эволюции (Hawks et al. 2007, Voight et al. 2006). Тесты LD работают по основному принципу: при равных скоростях рекомбинации, LD будет расти с увеличением естественного отбора. Эти геномные методы также могут применяться для поиска адаптивной эволюции в некодирующей ДНК, где предположительно нейтральные сайты трудно идентифицировать (Ponting and Lunter 2006).
Другой недавний метод, используемый для обнаружения отбора в некодирующих последовательностях, исследует вставки и делеции (инделки), а не точечные мутации (Lunter et al. 2006), хотя этот метод применялся только для изучения моделей отрицательного отбора.
Во многих различных исследованиях предпринимались попытки количественно оценить степень адаптивной эволюции в геноме человека, подавляющее большинство используя сравнительные подходы, описанные выше. Хотя есть расхождения между исследованиями, в целом имеется относительно мало доказательств адаптивной эволюции белка , кодирующего ДНК, с оценками адаптивной эволюции часто около 0% (см. Таблицу 1). Наиболее очевидным исключением из этого правила является оценка α на 35% (Fay et al. 2001). В этом сравнительно раннем исследовании для оценки использовалось относительно немного локусов (менее 200), а данные о полиморфизме и дивергенции были получены от разных генов, оба из которых могли привести к завышение α. Следующей самой высокой оценкой является значение α в 20% (Zhang and Li 2005). Однако тест МК, использованный в этом исследовании, был достаточно слабым, поэтому авторы утверждают, что это значение α статистически не отличается от 0%. Nielsen et al. (2005a) оценка того, что 9,8% генов претерпели адаптивную эволюцию, также связана с большой погрешностью, и их оценка резко сокращается до 0,4%, когда они предусматривают, что степень уверенности в том, что адаптивная эволюция произошла, должна быть 95% и более.
Это поднимает важную проблему, заключающуюся в том, что многие из этих тестов для адаптивной эволюции очень слабы. Следовательно, тот факт, что многие оценки находятся на уровне (или очень близком к нему) 0%, не исключает возникновения какой-либо адаптивной эволюции в геноме человека, а просто показывает, что положительный отбор недостаточно частый, чтобы его можно было обнаружить с помощью тестов. Фактически, в самом недавнем упомянутом исследовании говорится, что смешивающие переменные, такие как демографические изменения, означают, что истинное значение α может достигать 40% (Eyre-Walker and Keightley 2009). Другое недавнее исследование, в котором используется относительно надежная методология, оценивает α на уровне 10-20%. Boyko et al. (2008). Ясно, что дебаты по поводу степени адаптивной эволюции, происходящей в кодирующей ДНК человека, еще не решены.
Даже если низкие оценки α являются точными, небольшая часть адаптивно развивающихся замен все же может соответствовать значительному количеству кодирующей ДНК. Многие авторы, чьи исследования дают небольшие оценки степени адаптивной эволюции кодирующей ДНК, тем не менее признают, что в этой ДНК произошла некоторая адаптивная эволюция, поскольку эти исследования идентифицируют определенные области в геноме человека, которые эволюционируют адаптивно (например, Bakewell et al. др. (2007)). В ходе эволюции шимпанзе положительному отбору подверглось больше генов, чем у человека.
В целом низкие оценки адаптивной эволюции кодирующей ДНК человека можно сравнить с другими видами. Bakewell et al. (2007) нашли больше доказательств адаптивной эволюции у шимпанзе, чем у людей: 1,7% генов шимпанзе демонстрируют доказательства адаптивной эволюции (по сравнению с оценкой 1,1% для людей; см. Таблицу 1). Сравнивая людей с более отдаленно родственными животными, ранняя оценка α у видов Drosophila составляла 45% (Smith and Eyre-Walker 2002), и более поздние оценки в значительной степени согласуются с этим (Eyre-Walker 2006). Бактерии и вирусы обычно демонстрируют еще больше доказательств адаптивной эволюции; исследования показывают, что значения α находятся в диапазоне 50-85%, в зависимости от исследованных видов (Eyre-Walker 2006). Как правило, действительно существует положительная корреляция между (эффективным) размером популяции вида и степенью адаптивной эволюции, происходящей в кодирующих областях ДНК. Это может быть связано с тем, что случайный генетический дрейф становится менее сильным при изменении частот аллелей по сравнению с естественным отбором по мере увеличения размера популяции.
Оценки степени адаптивной эволюции некодирующей ДНК, как правило, очень низкие, хотя по некодирующей ДНК было проведено меньше исследований.. Однако, как и в случае с кодирующей ДНК, используемые в настоящее время методы относительно слабые. Понтинг и Лантер (2006) предполагают, что недооценка может быть еще более серьезной для некодирующей ДНК, потому что некодирующая ДНК может претерпевать периоды функциональности (и адаптивной эволюции), за которыми следуют периоды нейтральности. Если это так, то современные методы обнаружения адаптивной эволюции неадекватны для учета таких закономерностей. Кроме того, даже если низкие оценки степени адаптивной эволюции верны, это все равно может приравниваться к большому количеству адаптивно развивающейся некодирующей ДНК, поскольку некодирующая ДНК составляет примерно 98% ДНК в геноме человека. Например, Понтинг и Лантер (2006) обнаруживают скромные 0,03% некодирующей ДНК, свидетельствующие об адаптивной эволюции, но это по-прежнему соответствует примерно 1 МБ адаптивно развивающейся ДНК. Там, где есть доказательства адаптивной эволюции (которая подразумевает функциональность) в некодирующей ДНК, обычно считается, что эти области участвуют в регуляции последовательностей, кодирующих белок.
Как и в случае с людьми, меньше исследований посвящено поиску адаптивной эволюции в некодирующих регионах других организмов. Однако там, где проводились исследования на дрозофиле, оказалось, что существует большое количество адаптивно развивающейся некодирующей ДНК. Андольфатто (2005) подсчитал, что адаптивная эволюция произошла в 60% нетранслируемых зрелых частей мРНК и в 20% интронных и межгенных областей. Если это правда, это будет означать, что большая часть некодирующей ДНК может иметь большее функциональное значение, чем кодирующая ДНК, что резко изменит консенсусное мнение. Однако это все равно оставит без ответа, какую функцию выполняет вся эта некодирующая ДНК, поскольку наблюдаемая до сих пор регуляторная активность составляет лишь крошечную долю от общего количества некодирующей ДНК. В конечном итоге необходимо собрать значительно больше доказательств, чтобы подтвердить эту точку зрения.
В нескольких недавних исследованиях сравнивалась степень адаптивной эволюции, происходящая между разными популяциями внутри человеческого вида. Williamson et al. (2007) нашли больше доказательств адаптивной эволюции в популяциях Европы и Азии, чем в популяциях афроамериканцев. Предполагая, что афроамериканцы являются представителями африканцев, эти результаты имеют интуитивный смысл, поскольку люди распространились из Африки примерно 50 000 лет назад (согласно консенсусной гипотезе происхождения человека из стран за пределами Африки (Klein 2009)), и эти люди адаптировались к новой среде, с которой они столкнулись. Напротив, африканские популяции оставались в аналогичной среде в течение следующих десятков тысяч лет и, следовательно, были, вероятно, ближе к своему пику адаптации к окружающей среде. Однако Войт и др. (2006) нашли доказательства более адаптивной эволюции у африканцев, чем у неафриканцев (исследованы восточноазиатские и европейские популяции), а Boyko et al. (2008) не обнаружили существенных различий в степени адаптивной эволюции, происходящей между разными человеческими популяциями. Таким образом, полученные до сих пор доказательства неубедительны в отношении того, в какой степени различные человеческие популяции претерпели разную степень адаптивной эволюции.
Скорость адаптивной эволюции в геноме человека часто считалась постоянной во времени. Например, оценка 35% для α, рассчитанная Fay et al. (2001) привели их к выводу, что в человеческой линии происходила одна адаптивная замена каждые 200 лет после расхождения человека с обезьянами старого мира. Однако даже если исходное значение α является точным для определенного периода времени, эта экстраполяция все еще недействительна. Это связано с тем, что за последние 40 000 лет произошло большое увеличение количества позитивных селекций в человеческом родословном с точки зрения количества генов, претерпевших адаптивную эволюцию (Hawks et al. 2007). Это согласуется с простыми теоретическими предсказаниями, потому что размер человеческой популяции резко увеличился за последние 40 000 лет, и с увеличением количества людей должно быть больше адаптивных замен. Hawks et al. (2007) утверждают, что демографические изменения (особенно рост популяции) могут значительно облегчить адаптивную эволюцию, аргумент, который в некоторой степени подтверждает положительную корреляцию, предполагаемую между размером популяции и количеством происходящей адаптивной эволюции, упомянутой ранее.
Было высказано предположение, что культурная эволюция могла заменить генетическую эволюцию и, следовательно, замедлить темпы адаптивной эволюции за последние 10 000 лет. Однако не исключено, что культурная эволюция на самом деле может увеличить генетическую адаптацию. Культурная эволюция значительно расширила общение и контакты между различными популяциями, и это дает гораздо большие возможности для генетического смешения между различными популяциями (Hawks et al. 2007). Однако недавние культурные явления, такие как современная медицина и меньшие различия в размерах современных семей, могут снизить генетическую адаптацию, поскольку естественный отбор ослаблен, перекрывая повышенный потенциал адаптации из-за большего генетического смешения.
В исследованиях обычно не делается попыток количественно оценить среднюю силу селекции, распространяющей полезные мутации в геноме человека. Многие модели делают предположения о том, насколько сильным является отбор, и некоторые расхождения между оценками масштабов адаптивной эволюции объясняются использованием таких различных предположений (Eyre-Walker 2006). Способ точно оценить среднюю силу положительного отбора, действующего на геном человека, - это сделать вывод о распределении эффектов приспособленности (DFE) новых полезных мутаций в геноме человека, но этот DFE трудно сделать вывод, потому что новые полезные мутации очень редки. (Бойко и др., 2008). DFE может иметь экспоненциальную форму в адаптированной популяции (Eyre-Walker and Keightley, 2007). Однако необходимы дополнительные исследования для получения более точных оценок средней силы положительного отбора у людей, что, в свою очередь, улучшит оценки степени адаптивной эволюции, происходящей в геноме человека (Boyko et al. 2008).
В значительном количестве исследований использовались геномные методы для идентификации конкретных генов человека, которые демонстрируют доказательства адаптивной эволюции. В таблице 2 приведены избранные примеры таких генов для каждого обсуждаемого типа генов, но далеко не исчерпывающий список генов человека, свидетельствующих об адаптивной эволюции. Ниже перечислены некоторые типы генов, которые демонстрируют убедительные доказательства адаптивной эволюции в геноме человека.
Bakewell et al. (2007) обнаружили, что относительно большая часть (9,7%) позитивно выбранных генов связана с заболеваниями. Это может быть связано с тем, что болезни могут быть адаптивными в некоторых контекстах. Например, шизофрения была связана с повышенным творческим потенциалом (Crespi et al. 2007), что, возможно, было полезным признаком получения пищи или привлечения партнеров в палеолит времена. В качестве альтернативы, адаптивные мутации могут быть теми, которые снижают вероятность заболевания, возникающего из-за других мутаций. Однако это второе объяснение кажется маловероятным, потому что частота мутаций в геноме человека довольно низкая, поэтому отбор будет относительно слабым.
417 генов, участвующих в иммунной системе, продемонстрировали убедительные доказательства адаптивной эволюции в исследовании Nielsen et al. (2005a). Вероятно, это связано с тем, что иммунные гены могут участвовать в эволюционной гонке вооружений с бактериями и вирусами (Daugherty and Malik 2012; Van der Lee et al. 2017). Эти патогены очень быстро эволюционируют, поэтому давление отбора быстро меняется, давая больше возможностей для адаптивной эволюции.
247 генов семенников продемонстрировали доказательства адаптивной эволюции в исследовании Nielsen et al. (2005a). Частично это могло быть связано с половым антагонизмом. Соревнование между мужчинами и женщинами может способствовать гонке вооружений адаптивной эволюции. Однако в этой ситуации можно было бы ожидать найти доказательства адаптивной эволюции и женских половых органов, но доказательств этого меньше. Конкуренция спермы - еще одно возможное объяснение. Конкуренция между сперматозоидами сильна, и сперма может улучшить свои шансы на оплодотворение женской яйцеклетки множеством способов, включая увеличение их скорости, выносливости или реакции на хемоаттрактанты (Swanson and Vacquier 2002).
Гены, участвующие в обнаружении запаха, демонстрируют убедительные доказательства адаптивной эволюции (Войт и др., 2006), вероятно, из-за того, что запахи, с которыми сталкиваются люди, недавно изменились в своей эволюционной истории (Williamson et al. 2007). Обоняние людей играет важную роль в определении безопасности источников пищи.
Гены, участвующие в метаболизме лактозы, демонстрируют особенно убедительные доказательства адаптивной эволюции среди генов, участвующих в питании. Мутация, связанная с персистенцией лактазы, демонстрирует очень убедительные доказательства адаптивной эволюции в европейских и американских популяциях (Williamson et al. 2007), популяциях, где пастбищное животноводство для получения молока было исторически важным.
Гены пигментации демонстрируют особенно убедительные доказательства адаптивной эволюции в неафриканских популяциях (Williamson et al. 2007). Вероятно, это связано с тем, что те люди, которые покинули Африку примерно 50 000 лет назад, попали в менее солнечный климат, и поэтому оказались под новым давлением отбора, чтобы получить достаточное количество витамина D из ослабленного солнечного света.
Есть некоторые свидетельства адаптивной эволюции генов, связанных с развитием мозга, но некоторые из этих генов часто связаны с заболеваниями, например микроцефалия (см. Таблицу 2). Тем не менее, есть особый интерес к поискам адаптивной эволюции генов мозга, несмотря на этические проблемы, связанные с такими исследованиями. Если бы в генах мозга одной человеческой популяции была обнаружена более адаптивная эволюция, чем другой, то эту информацию можно было бы интерпретировать как свидетельство более высокого интеллекта в более адаптивно развитой популяции.
Другие типы генов, демонстрирующие значительные доказательства адаптивной эволюции (но, как правило, меньше доказательств, чем обсуждаемые типы), включают: гены на Х-хромосоме, гены нервной системы, гены, участвующие в апоптоз, гены, кодирующие особенности скелета, и, возможно, гены, связанные с речью (Nielsen et al. 2005a, Williamson et al. 2007, Voight et al. 2006, Krause et al. 2007).
Как отмечалось ранее, многие из тестов, используемых для обнаружения адаптивной эволюции, имеют очень большую степень неопределенности в своих оценках. Несмотря на то, что существует множество различных модификаций, применяемых к отдельным тестам для преодоления связанных с ними проблем, два типа смешанных переменных особенно важны, препятствуя точному обнаружению адаптивной эволюции: демографические изменения и предвзятая конверсия генов.
Демографические изменения представляют особую проблему и могут серьезно исказить оценки адаптивной эволюции. Человеческое происхождение претерпело как быстрое сокращение численности, так и расширение популяции на протяжении своей эволюционной истории, и эти события изменят многие признаки, которые, как считается, являются характерными для адаптивной эволюции (Nielsen et al. 2007). Моделирование показало, что некоторые геномные методы относительно устойчивы к демографическим изменениям (например, Willamson et al. 2007). Однако никакие тесты не являются полностью устойчивыми к демографическим изменениям, и недавно были обнаружены новые генетические явления, связанные с демографическими изменениями. Сюда входит концепция «серфинговых мутаций», при которой новые мутации могут распространяться с увеличением популяции (Klopfstein et al. 2006).
Феномен, который может серьезно изменить способ поиска признаков адаптивной эволюции - это (BGC) (Galtier and Duret 2007). Мейотическая рекомбинация между гомологичными хромосомами, которые являются гетерозиготными в конкретном локусе, может приводить к несоответствию ДНК. репарация ДНК. механизмы смещены в сторону восстановления несоответствия с парой оснований CG. Это приведет к изменению частот аллелей, оставляя след не нейтральной эволюции (Galtier et al. 2001). Избыток мутаций от AT к GC в человеческих геномных областях с высокими скоростями замены (человеческие ускоренные области, HARs) означает, что BGC часто встречается в геноме человека (Pollard et al. 2006, Galtier and Duret 2007). Первоначально предполагалось, что BGC мог быть адаптивным (Galtier et al. 2001), но более поздние наблюдения сделали это маловероятным. Во-первых, некоторые HAR не демонстрируют существенных признаков избирательного обхода вокруг них. Во-вторых, HARs имеют тенденцию присутствовать в регионах с высокими скоростями рекомбинации (Pollard et al. 2006). Фактически, BGC может приводить к HAR, содержащим высокую частоту вредоносных мутаций (Galtier and Duret 2007). Однако маловероятно, что HAR в целом являются неадаптивными, потому что сами механизмы репарации ДНК будут подвергаться строгому отбору, если они будут распространять вредные мутации. В любом случае, BGC требует дальнейшего изучения, поскольку он может вызвать радикальное изменение методов проверки наличия адаптивной эволюции.
(формат таблицы и некоторые данные отображаются, как в Таблице 1 Eyre-Walker (2006))
| α или доля локусов, которые претерпели адаптивную эволюцию (%) | Тип локуса | Вид вне группы | Метод | Исследование |
|---|---|---|---|---|
| 20 | Белок | Шимпанзе | MK | Чжан и Ли 2005 |
| 6 | Белок | Шимпанзе | MK | Bustamante et al. 2005 |
| 0-9 | Белок | Шимпанзе | MK | Консорциум по секвенированию и анализу шимпанзе 2005 |
| 10-20 | Белок | Шимпанзе | MK | Бойко и др. 2008 |
| 9.8 | Белок | Шимпанзе | dn/ds | Nielsen et al. 2005a |
| 1.1 | Белок | Шимпанзе | dn/ds | Bakewell et al. 2007 |
| 35 | Белок | обезьяна Старого Света | MK | Fay et al. 2001 |
| 0 | Белок | Старосветская обезьяна | MK | Чжан и Ли 2005 |
| 0 | Белок | Старосветская обезьяна | MK | Эйр-Уокер и Кейтли 2009 |
| 0,4 | Белок | обезьяны старого мира | dn / ds | Nielsen et al. 2005b |
| 0 | Белок | Мышь | MK | Чжан и Ли 2005 |
| 0.11-0.14 | Некодирующий | Шимпанзе | MK | Keightley et al. 2005 |
| 4 | Некодирование | Шимпанзе и обезьяны Старого Света | dn / ds | Haygood et al. 2007 |
| 0 | Некодирующие | Старосветские обезьяны | MK | Эйр-Уокер и Кейтли 2009 |
| 0.03 | Некодирующие | Н / Д | dn / ds | Ponting and Lunter 2006 |
| Тип гена | Название гена | Фенотип, произведенный геном / регионом, в котором экспрессируется ген | Исследование |
|---|---|---|---|
| Заболевание | ASPM | Микроцефалия (характеризуется маленькой головой и умственной отсталостью) | Мекель-Бобров и др. 2005 |
| Болезнь | HYAL3 | Рак, подавление опухоли | Nielsen et al. 2005a |
| Болезнь | DISC1 | Шизофрения | Crespi et al. 2007 |
| Иммунная | CD72 | Передача сигналов иммунной системы | Nielsen et al. 2005a |
| Иммунный | IGJ | Связывает мономеры иммуноглобулинов | Williamson et al. 2007 |
| Иммунный | PTCRA | Пре-рецептор Т-клеточного антигена | Bakewell et al. 2007 |
| Тесты | USP26 | Специфическая экспрессия в семенниках | Nielsen et al. 2005a |
| Тесты | RSBN1 | Белковая структура сперматозоидов | Voight et al. 2006 |
| Тесты | SPAG5 | Спермоассоциированный антиген 5 | Bakewell et al. 2007 |
| Обонятельный | OR2B2 | Обонятельный рецептор | Nielsen et al. 2005a |
| Обонятельный | OR4P4 | Обонятельный рецептор | Williamson et al. 2007 |
| Обонятельный | OR10H3 | Обонятельный рецептор 10H3 | Bakewell et al. 2007 |
| Питание | LCT | Метаболизм лактозы | Williamson et al. 2007 |
| Питание | NR1H4 | Рецептор ядерного гормона, связанный с фенотипами, включая желчную кислоту и липопротеины | Williamson et al. 2007 |
| Питание | SLC27A4 | Поглощение жирных кислот | Voight et al. 2006 |
| Пигментация | OCA2 | Осветленная кожа | Войт и др. 2006 |
| Пигментация | ATRN | Пигментация кожи | Willamson et al. 2007 |
| Пигментация | TYRP1 | Осветленная кожа | Войт и др. 2006 |
Портал эволюционной биологии 