Почти нейтральная теория молекулярной эволюции

редактировать
Модификация нейтральной теории молекулярной эволюции, которая объясняет тот факт, что не все мутации настолько вредны, как что они могут быть проигнорированы или нейтральны

Почти нейтральная теория молекулярной эволюции является модификацией нейтральной теории молекулярной эволюции, которая объясняет 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, деленной на эффективный размер популяции. В более крупных популяциях более высокая доля мутаций превышает этот порог, для которого генетический дрейф не может пересилить отбор, что приводит к меньшему количеству событий фиксации и, следовательно, к более медленной молекулярной эволюции.

Почти нейтральная теория была предложена Томоко Охта в 1973 году. Зависящий от размера популяции порог для очистки мутаций был назван Майклом Линчем <63 «барьером дрейфа».>, и используется для объяснения различий в геномной архитектуре между видами.

Содержание

Истоки почти нейтральной теории

Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, скорость, с которой накапливаются молекулярные изменения между видами, должна быть равна скорости нейтральных мутаций и, следовательно, относительно постоянна для разных видов. Однако это скорость на поколение. Поскольку более крупные организмы имеют более длительное время генерации, нейтральная теория предсказывает, что скорость их молекулярной эволюции должна быть ниже. Однако молекулярные эволюционисты обнаружили, что скорость эволюции белка практически не зависит от времени генерации.

Отметив, что размер популяции, как правило, обратно пропорционален времени генерации, Томоко Охта предположил, что если большинство замен аминокислот будут немного вредными, это увеличит скорость эффективно нейтральных мутаций в небольших популяциях., что могло бы компенсировать эффект длительного времени генерации. Однако, поскольку замены некодирующей ДНК имеют тенденцию быть более нейтральными, независимо от размера популяции, правильно предсказано, что их скорость эволюции зависит от размера популяции / времени поколения, в отличие от скорости несинонимичных изменений.

В этом случае более высокая скорость нейтральной эволюции белков, ожидаемая в небольших популяциях (из-за более мягкого порога удаления вредных мутаций), компенсируется более длительным временем генерации (и наоборот), но в больших популяциях с короткими время поколения, некодирующая ДНК эволюционирует быстрее, в то время как эволюция белка задерживается отбором (что более важно, чем дрейф для больших популяций). на молекулярном уровне скорее слегка вредны, чем строго нейтральны.

С того времени и до начала 1990-х годов во многих исследованиях молекулярной эволюции использовалась «модель сдвига», в которой отрицательное влияние на приспособленность популяции из-за вредных мутаций возвращается к исходному значению, когда мутация достигает фиксации.. В начале 1990-х Охта разработал «фиксированную модель», которая включала как полезные, так и вредные мутации, так что не требовалось никакого искусственного «сдвига» общей приспособленности популяции. Однако, по словам Охты, почти нейтральная теория в значительной степени потеряла популярность в конце 1980-х, потому что математически более простая нейтральная теория для широко распространенных молекулярных систематических исследований, которые процветали после появления быстрого секвенирования ДНК.. По мере того как в 1990-х годах в более подробных систематических исследованиях начали сравнивать эволюцию участков генома, подверженных 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 s для вредных мутаций (обратите внимание на логарифмическую шкалу на оси Y) по сравнению с нейтральным случаем s = 0. Пунктирными линиями показана вероятность фиксации мутации с s = -1 / N. Обратите внимание, что в более крупных популяциях больше вредных мутаций (не показано). Вероятность фиксации полезных мутаций довольно нечувствительна к N. Обратите внимание, что в более крупных популяциях есть более полезные мутации (не показано).

Скорость замещения, ρ {\ displaystyle \ rho}\ rho равно

ρ = ug N e P ¯ fix {\ displaystyle \ rho = ugN_ {e} {\ bar {P}} _ {fix}}{\ displaystyle \ rho = ugN_ { e} {\ bar {P}} _ {fix}} ,

где u {\ displaystyle u}u - скорость мутации, g {\ displaystyle g}g - время генерации, а N e {\ displaystyle N_ {e}}N_ {e} - эффективная численность населения. Последний член - это вероятность того, что новая мутация станет фиксированной. Ранние модели предполагали, что u {\ displaystyle u}u является постоянным для разных видов, и что g {\ displaystyle g}g увеличивается с N e {\ стиль отображения N_ {e}}N_ {e} . Уравнение Кимуры для вероятности фиксации в гаплоидной популяции дает:

P fix = 1 - e - s 1 - e - s N e {\ displaystyle P_ {fix} = {\ frac {1-e ^ {- s }} {1-e ^ {- sN_ {e}}}}}{\ displaystyle P_ {fix} = {\ frac {1-e ^ {- s}} {1-e ^ {- sN_ {e}}}}} ,

где s {\ displaystyle s}s - коэффициент отбора мутации. Когда | с | ≪ 1 N e {\ displaystyle | s | \ ll {\ frac {1} {N_ {e}}}}{\ displaystyle | s | \ ll {\ frac {1} {N_ {e}}}} (полностью нейтральный), P fix = 1 N e {\ displaystyle P_ {fix} = {\ frac {1} {N_ {e}}}}{\ displaystyle P_ {fix} = {\ frac {1} {N_ {e}}}} , а когда - s ≫ 1 N e {\ displaystyle -s \ gg {\ frac {1} { N_ {e}}}}{\ displaystyle - s \ gg {\ frac {1} {N_ {e}}}} (крайне опасно), P fix {\ displaystyle P_ {fix}}{\ displaystyle P_ {fix}} уменьшается почти экспоненциально с N e {\ displaystyle N_ {e}}N_ {e} . Мутации с - s ≃ 1 N e {\ displaystyle -s \ simeq {\ frac {1} {N_ {e}}}}{\ displaystyle -s \ simeq {\ frac {1} {N_ {e}}}} называются почти нейтральными мутациями. Эти мутации можно исправить в небольших- N e {\ displaystyle N_ {e}}N_ {e} популяциях посредством генетического дрейфа. В больших- N e {\ displaystyle N_ {e}}N_ {e} популяциях эти мутации очищаются отбором. Если часто встречаются почти нейтральные мутации, то соотношение, для которого P fix ≪ 1 N e {\ displaystyle P_ {fix} \ ll {\ frac {1} {N_ {e}}}}{\ displaystyle P_ {fix} \ ll {\ frac {1} {N_ {e}}}} зависит от N e {\ displaystyle N_ {e}}N_e

Эффект почти нейтральных мутаций может зависеть от колебаний s {\ displaystyle s}s . Ранние работы использовали «сменную модель», в которой s {\ displaystyle s}s может варьироваться от поколения к поколению, но средняя приспособленность популяции сбрасывается до нуля после фиксации. Это в основном предполагает, что распределение s {\ displaystyle s}s является постоянным (в этом смысле аргумент в предыдущих абзацах можно рассматривать как основанный на «модели сдвига»). Это предположение может привести к неопределенному улучшению или ухудшению функции белка. В качестве альтернативы, более поздняя «фиксированная модель» фиксирует влияние распределения мутаций на функцию белка, но позволяет средней приспособленности популяции развиваться. Это позволяет распределению s {\ displaystyle s}s изменяться со средней приспособленностью населения.

«Фиксированная модель» дает несколько иное объяснение скорости эволюции белка. В больших N e {\ displaystyle N_ {e}}N_ {e} популяциях полезные мутации быстро выбираются путем отбора, повышая 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 классифицировал эволюцию по «фиксированной модели» на основе произведения N e {\ displaystyle N_ {e}}N_ {e} и дисперсии в распределении s {\ displaystyle s}s : большой продукт соответствует адаптивной эволюции, промежуточный продукт соответствует почти нейтральной эволюции, а маленький продукт соответствует почти нейтральной эволюции. Согласно этой классификации, слегка выгодные мутации могут способствовать почти нейтральной эволюции.

Теория «барьера дрейфа»

Майкл Линч предположил, что вариация в способности очищать слегка вредные мутации (т.е. вариация в N e {\ displaystyle N_ {e}}N_e ) может объяснить различия в геномной архитектуре между видами, например размер генома или частота мутаций. В частности, более крупные популяции будут иметь более низкую частоту мутаций, более оптимизированную 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 снижает стоимость совершения таких ошибок, в более крупных группах могут возникнуть более низкие показатели глобальной корректуры и, следовательно, более высокие показатели 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 обилия белка (который отвечает за модуляцию локус-специфической силы отбора), но делает это только для высокой частоты ошибок C к U дезаминированию ошибок в S. cerevisiae.

Ссылки

См. также

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-31 13:22:14
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте