Нейтральная мутация

Нейтральные мутации - это изменения в последовательности ДНК, которые не являются ни полезными, ни вредными для способности организм, чтобы выжить и воспроизвести. В популяционной генетике, мутации, в которых естественный отбор не влияет на распространение мутации у вида, называются нейтральными мутациями. Нейтральные мутации, которые наследуются и не связаны с какими-либо генами, находящимися в процессе отбора, будут потеряны или заменят все другие аллели гена. Эта потеря или фиксация гена происходит на основе случайной выборки, известной как генетический дрейф. Нейтральная мутация, которая находится в неравновесном сцеплении с другими аллелями, находящимися в процессе отбора, может перейти к потере или фиксации через генетический автостоп и / или фоновый отбор.

Хотя многие мутации в геноме может снизить способность организма к выживанию и воспроизводству, также известную как приспособленность, эти мутации отбираются и не передаются будущим поколениям. Наиболее часто наблюдаемые мутации, обнаруживаемые как вариации в генетическом составе организмов и популяций, по-видимому, не оказывают видимого влияния на приспособленность людей и поэтому являются нейтральными. Выявление и изучение нейтральных мутаций привело к развитию нейтральной теории молекулярной эволюции. Нейтральная теория молекулярной эволюции - важная и часто спорная теория, предполагающая, что большинство молекулярных вариаций внутри и между видами по существу нейтральны и не зависят от отбора. Нейтральные мутации также являются основой для использования молекулярных часов для идентификации таких эволюционных событий, как видообразование и адаптивное или эволюционное излучение.

Содержание

• 1 История
• 2 Влияние на эволюционную теорию
• 3 Типы
  • 3.1 Синонимическая мутация оснований
  • 3.2 Замена нейтральной аминокислоты
• 4 Идентификация и измерение нейтральности
• 5 Молекулярные часы
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

История

Чарльз Дарвин прокомментировал идею нейтральной мутации в своей работе, выдвинув гипотезу о том, что мутации, которые не дают преимущество или недостаток может изменяться или фиксироваться помимо естественного отбора. "Вариации, ни полезные, ни вредные, не будут затронуты естественным отбором, и останутся либо колеблющимся элементом, как, возможно, мы наблюдаем у некоторых полиморфных видов, либо в конечном итоге станут фиксированными в силу природы организма и природы организма. условия ». Хотя Дарвину широко приписывают введение идеи естественного отбора, которая была в центре его исследований, он также видел возможность изменений, которые не принесли пользу или не повредили организму.

Взгляд Дарвина на изменения в основном обусловлен черты, обеспечивающие преимущество, были широко распространены до 1960-х годов. В ходе исследования мутаций, вызывающих нуклеотидные замены в 1968 году, Мотоо Кимура обнаружил, что скорость замены была настолько высока, что если каждая мутация улучшала приспособляемость, разрыв между наиболее подходящим и типичным генотипом был бы неправдоподобно большой. Однако Кимура объяснил эту высокую скорость мутации предположением, что большинство мутаций были нейтральными, то есть имели незначительное влияние или не влияли на приспособленность организма. Кимура разработал математические модели поведения нейтральных мутаций, подверженных случайному генетическому дрейфу в биологических популяциях. Эта теория стала известна как нейтральная теория молекулярной эволюции.

Поскольку технологии позволили улучшить анализ геномных данных, исследования в этой области продолжаются. В то время как естественный отбор может способствовать адаптации к изменяющейся окружающей среде, нейтральная мутация может подтолкнуть к дивергенции видов из-за почти случайного генетического дрейфа.

Влияние на эволюционную теорию

Нейтральная мутация стала частью нейтральной теория молекулярной эволюции, предложенная в 1960-х гг. Эта теория предполагает, что нейтральные мутации ответственны за большую часть изменений последовательности ДНК у вида. Например, бычий и человеческий инсулин, хотя и различаются последовательностью аминокислот, все же способны выполнять ту же функцию. Следовательно, аминокислотные замены между видами были нейтральными или не влияющими на функцию белка. Нейтральная мутация и нейтральная теория молекулярной эволюции не отделены от естественного отбора, а дополняют первоначальные мысли Дарвина. Мутации могут дать преимущество, создать недостаток или не иметь измеримого значения для выживаемости организма.

Ряд наблюдений, связанных с нейтральной мутацией, был предсказан нейтральной теорией, в том числе: аминокислоты с аналогичными биохимическими свойствами должны быть заменены чаще, чем биохимически разные аминокислоты; синонимичные замены оснований должны наблюдаться чаще, чем несинонимичные замены; интроны должны развиваться с той же скоростью, что и синонимичные мутации в кодирующих экзонах ; и псевдогены также должны развиваться с аналогичной скоростью. Эти прогнозы были подтверждены введением дополнительных генетических данных с момента введения теории.

Типы

Синонимичные мутации оснований

При неправильном нуклеотиде вставляется во время репликации или транскрипции кодирующей области, это может повлиять на возможную трансляцию последовательности в аминокислоты. Поскольку несколько кодонов используются для одних и тех же аминокислот, изменение одного основания может по-прежнему приводить к трансляции одной и той же аминокислоты. Это явление называется вырождением и допускает различные комбинации кодонов, приводящие к образованию одной и той же аминокислоты. Например, коды TCT, TCC, TCA, TCG, AGT и AGC все кодируют аминокислоту серин. Это можно объяснить концепцией колебания. Фрэнсис Крик предложил эту теорию, чтобы объяснить, почему определенные молекулы тРНК могут распознавать несколько кодонов. Область тРНК, которая распознает кодон, называемая антикодоном, способна связывать несколько взаимозаменяемых оснований на своем 5'-конце благодаря своей пространственной свободе. Пятое основание, называемое инозином, также может быть заменено на тРНК и способно связываться с A, U или C. Эта гибкость позволяет изменять основания в кодонах, приводя к трансляции той же аминокислоты. Изменение основания в кодоне без изменения транслируемой аминокислоты называется синонимичной мутацией. Поскольку переведенная аминокислота остается неизменной, синонимичная мутация традиционно считалась нейтральной мутацией. Некоторые исследования показали, что существует систематическая ошибка в выборе замены основания при синонимичной мутации. Это может быть связано с давлением отбора, направленным на повышение эффективности трансляции, связанной с наиболее доступными тРНК, или просто из-за мутационной ошибки. Если эти мутации влияют на скорость трансляции или способность организма производить белок, они могут фактически влиять на приспособленность пораженного организма.

Кодон ATG и кодирует метионин, и служит сайтом инициации: первый ATG в кодирующей области мРНК - это место, где начинается трансляция в белок. Другие стартовые кодоны, перечисленные GenBank, редко встречаются у эукариот и обычно являются кодами для Met / fMet.

Историческая основа для обозначения стоп-кодонов как янтарь, охра и опал описана в автобиографии Сидни Бреннер. и в исторической статье Боба Эдгара.

Замена нейтральной аминокислоты

В то время как замена основания в некодирующей области генома может иметь небольшое значение и считаться нейтральной, основание замены в генах или вокруг них могут повлиять на организм. Некоторые замены оснований приводят к синонимичной мутации и отсутствию различий в транслируемой аминокислоте, как указано выше. Однако замена основания также может изменить генетический код, так что транслируется другая аминокислота. Такая замена обычно отрицательно влияет на образующийся белок и будет исключена из популяции посредством очищающего отбора. Однако, если изменение оказывает положительное влияние, мутация может становиться все более и более распространенной в популяции, пока не станет фиксированной генетической частью этой популяции. Организмы, изменяющиеся с помощью этих двух вариантов, составляют классический взгляд на естественный отбор. Третья возможность состоит в том, что аминокислотная замена практически не влияет на пораженный белок положительно или отрицательно. Белки демонстрируют некоторую толерантность к изменениям аминокислотной структуры. Это в некоторой степени зависит от того, где в белке происходит замещение. Если это происходит в важной структурной области или в активном сайте, одна аминокислотная замена может инактивировать или существенно изменить функциональность белка. Замены в других областях могут быть почти нейтральными и случайным образом дрейфовать с течением времени.

Идентификация и измерение нейтральности

Нейтральные мутации измеряются в популяционной и эволюционной генетике часто, глядя на вариации в популяциях. Их исторически измеряли с помощью гель-электрофореза для определения частот аллозима. Статистический анализ этих данных используется для сравнения вариации с предсказанными значениями на основе размера популяции, частоты мутаций и эффективного размера популяции. Ранние наблюдения, которые указывали на более высокую, чем ожидалось гетерозиготность и общую изменчивость в пределах изученных изоформ белков, привели к аргументам относительно роли отбора в поддержании этой вариации по сравнению с существованием вариации через эффекты возникающих нейтральных мутаций и их случайных распространение из-за генетического дрейфа. Накопление данных, основанных на наблюдаемом полиморфизме, привело к формированию нейтральной теории эволюции. Согласно нейтральной теории эволюции, скорость фиксации нейтральной мутации в популяции будет напрямую связана со скоростью образования нейтрального аллеля.

В первоначальных расчетах Кимуры мутации с | 2 Ns | <1 or |s|≤1/(2N) are defined as neutral. In this equation, N is the эффективный размер популяции и представляет собой количественное измерение идеального размера популяции, которое предполагает такие константы, как равное соотношение полов и отсутствие эмиграции, миграции, мутаций или отбора. Консервативно часто предполагается, что эффективный размер популяции составляет примерно одну пятую от общей численности населения. s - коэффициент отбора и представляет собой значение от 0 до 1. Это измерение вклада генотипа в следующее поколение, где значение 1 будет полностью выбрано и не будет вносить никакого вклада и 0 вообще не выбирается. Это определение нейтральной мутации подвергалось критике из-за того, что очень большие эффективные размеры популяции могут сделать мутации с небольшими коэффициентами отбора не нейтральными. Кроме того, мутации с высокими коэффициентами отбора могут казаться нейтральными в очень небольших популяциях. Проверяемая гипотеза Кимуры и других ученых показала, что полиморфизм внутри вида примерно такой, какой можно было бы ожидать в нейтральной эволюционной модели.

Для многих подходов молекулярной биологии, в отличие от математической генетики, обычно предполагается, что нейтральные мутации те мутации, которые не оказывают заметного влияния на функцию генов. Это упрощение устраняет влияние незначительных аллельных различий в приспособленности и позволяет избежать проблем, когда отбор имеет лишь незначительный эффект.

Ранние убедительные доказательства этого определения нейтральной мутации были продемонстрированы в виде более низких скоростей мутаций в функционально важных частях гены, такие как цитохром с, в сравнении с менее важными частями и функционально взаимозаменяемая природа цитохрома с млекопитающих в исследованиях in vitro. Нефункциональные псевдогены предоставляют больше доказательств роли нейтральных мутаций в эволюции. Показано, что частота мутаций в псевдогенах глобина млекопитающих намного выше, чем в функциональных генах. Согласно неодарвиновской эволюции, такие мутации должны существовать редко, поскольку эти последовательности лишены функций и положительный отбор не сможет работать.

Тест Макдональда-Крейтмана использовался для изучения отбора в течение длительных периодов эволюционного времени. Это статистический тест, который сравнивает полиморфизм в нейтральных и функциональных сайтах и ​​оценивает, на какую долю замен влияет положительный отбор. В тесте в качестве нейтрального компонента часто используются синонимичные замены в генах, кодирующих белок; однако во многих случаях было показано, что синонимичные мутации подвергаются очищающему отбору.

Молекулярные часы

Молекулярные часы можно использовать для оценки количества времени, прошедшего с момента расхождения двух видов, и для определения эволюционных события во времени. Полинг и Цукеркандл предложили идею молекулярных часов в 1962 году, основываясь на наблюдении, что процесс случайных мутаций происходит с приблизительно постоянной скоростью. Было показано, что отдельные белки имеют линейную скорость изменения аминокислот в течение эволюционного времени. Несмотря на разногласия со стороны некоторых биологов, утверждающих, что морфологическая эволюция не будет происходить с постоянной скоростью, было показано, что многие аминокислотные изменения накапливаются постоянно. Кимура и Охта объяснили эти показатели как часть нейтральной теории. Эти мутации считались нейтральными, поскольку положительный отбор должен происходить редко, а вредные мутации должны быстро устраняться из популяции. Исходя из этого, на накопление этих нейтральных мутаций должна влиять только скорость мутаций. Следовательно, скорость нейтральных мутаций в отдельных организмах должна соответствовать скорости молекулярной эволюции видов в течение эволюционного времени. На скорость нейтральной мутации влияет количество нейтральных сайтов в последовательности белка или ДНК по сравнению с количеством мутаций в сайтах, которые функционально ограничены. Количественно оценивая эти нейтральные мутации в белке и / или ДНК и сравнивая их между видами или другими интересующими группами, можно определить скорость дивергенции.

Молекулярные часы вызвали споры из-за дат, которые они устанавливают для таких событий, как взрывные излучения, наблюдаемые после событий исчезновения, таких как кембрийский взрыв, и излучения млекопитающих и птиц. Двукратные различия существуют в датах, полученных на основе молекулярных часов и летописи окаменелостей. В то время как некоторые палеонтологи утверждают, что молекулярные часы систематически неточны, другие объясняют несоответствия отсутствием надежных данных об окаменелостях и предвзятостью при выборке. Хотя данные молекулярных часов не лишены постоянства и несоответствий с летописью окаменелостей, они показали, что в эволюции преобладают механизмы нейтральной модели и меньше влияет естественный отбор.

См. Также

• Вырождение кодонов
• Тихая мутация

Ссылки

Внешние ссылки

• Стандартный и обобщенный тест Макдональда-Крейтмана
• Нейтральность и молекулярные часы