Справочник терминов молекулярной эволюции и филогенетики

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА БИОЛОГИИ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИМИИ

СПРАВОЧНИК ТЕРМИНОВ

МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ

И ФИЛОГЕНЕТИКИ

Учебно-методическое пособие

Минск 2006

УДК 577.23(035.5)(075.8)

ББК 28.072 я 73

С 74

Утверждено Научно-методическим советом университета

в качестве учебно-методического пособия 30.11.05, протокол № 3.

А в т о р ы : канд. мед. наук, доц. В. Э. Бутвиловский; д-р биол. наук, проф. Е. В.

Барковский; асп. А. В. Бутвиловский; канд. мед наук, доц. В. В.Давыдов; студ. пед. фак. В. В.

Хрусталев

Р е ц е н з е н т заслуженный деятель науки Республики Беларусь, д-р мед. наук, проф.

В. К. Кухта

Справочник терминов молекулярной эволюции и филогенетики : учеб.-метод.

С 74 пособие / В. Э. Бутвиловский [и др.]. – Мн.: БГМУ, 2006. – 40 с.

ISBN 985-462-526-5.

Даны определения основным терминам, используемым в молекулярной эволюции и филогенетике.

Во введении отражены объекты, задачи, разделы и методы этой науки, а также предпосылки и история ее

возникновения и развития.

Издание предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей медицинских вузов

Республики Беларусь, интересующихся проблемами молекулярной эволюции и филогенетики.

УДК 577.23(035.5)(075.8)

ББК 28.072 я 73

ISBN 985-462-526-5 © Оформление. Белорусский государственный

медицинский университет, 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебно-методическое пособие посвящено изучению основных терминов

молекулярной эволюции. Особое внимание уделено терминам, применяемым при

использовании методов этой науки и анализе полученных с их помощью результатов.

Кроме этого даны наиболее важные определения, используемые в тех дисциплинах,

на которых базируется молекулярная эволюция. Это — популяционная генетика,

дающая теоретическую базу для изучения эволюционных процессов, и молекулярная

биология, предоставляющая опытные данные.

Актуальность данного издания связана с тем, что широкомасштабные

исследования в области молекулярной эволюции и филогенетики в Республике

Беларусь только зарождаются, что в свою очередь обусловлено недостаточной

осведомленностью широких кругов биологов, биохимиков, генетиков и медиков с

проблемами и методами этой науки. В этой связи следует отметить, что вопросы по

молекулярной эволюции и филогенетике включены в типовую учебную программу по

биологии и медицинской генетике для студентов медицинских ВУЗов Республики

Беларусь.

ВВЕДЕНИЕ

Молекулярная эволюция — это наука, изучающая изменения генетических

макромолекул (ДНК, РНК, белков) в процессе эволюции, закономерности и

механизмы этих изменений, а также реконструирующая эволюционную историю

генов и организмов.

Объектами исследования молекулярной эволюции являются:

1. Последовательности нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) как носителей

генетической информации.

2. Последовательности белков.

3. Структура белков.

4. Геномы организмов.

Основными задачами молекулярной эволюции являются:

1. Выявление закономерностей эволюции генетических макромолекул.

2. Реконструкция эволюционной истории генов и организмов.

Молекулярная эволюция тесно связана с такими областями науки, как

палеонтология (датировка эволюционных событий), генетика (принципы организации

и передачи наследственной информации), молекулярная биология (строение

генетических макромолекул), биофизика (механизмы функционирования

генетических макромолекул), математика (построение моделей эволюции), эволюция

(общие эволюционные закономерности), информатика (обработка и анализ данных) и

биохимия (химическая природа и превращение генетических макромолекул).

Предпосылки возникновения и развития молекулярной эволюции.

Возникновение и развитие молекулярной эволюции связано с двумя предпосылками.

Во-первых, это появление большого количества экспериментальных данных по

последовательностям нуклеиновых кислот и белков, а также разработка новых

теоретических методов их анализа. Первые аминокислотные последовательности

были расшифрованы в 50-е гг. прошлого столетия, нуклеотидные последовательности

— в 60-е, а к настоящему времени крупнейшие международные банки данных

содержат сведения примерно об одном миллиарде секвенированных нуклеотидов (~

1,6 млн генов и их фрагментов) и об аминокислотных последовательностях

миллионов белков. Большое число новых последовательностей белков публикуется в

постоянно пополняющемся справочном издании «Атлас аминокислотных

последовательностей и структур белков», издаваемом М. Дэйхофф. Несмотря на это,

установленные последовательности составляют незначительную часть потенциально

доступных и интересующих исследователей белков. К сожалению, разные

систематические группы животных представлены в атласе очень неравномерно:

большинство последовательностей выделено у млекопитающих. Тем не менее,

имеющихся данных достаточно, чтобы определить эволюционные дистанции и

скорости эволюции некоторых структурных генов и сопоставить полученные данные

с данными морфологической эволюции.

Во-вторых, со времен Ч. Дарвина многие биологи пытались реконструировать

эволюционную историю организмов на Земле и построить филогенетическое древо.

Оптимальное решение этой проблемы возможно по ископаемым останкам, но, к

сожалению, они фрагментарные и неполные. Поэтому большинство исследователей

пользуются методами сравнительной морфологии и физиологии. Используя

достижения этих наук, классические эволюционисты смогли предположить

большинство аспектов эволюционного развития организмов. Однако эволюционные

изменения морфологических и физиологических признаков настолько сложны, что

они не позволяют воссоздать точную картину эволюционного развития, и поэтому

детали реконструируемых филогенетических деревьев зачастую противоречивы.

Последние достижения молекулярной биологии решительно изменили

ситуацию. Со времени открытия строения нуклеиновых кислот появилась

возможность изучать эволюционные связи между организмами путем сравнения их

нуклеотидных последовательностей. Такой подход имеет некоторые преимущества

над классическими морфологическими и физиологическими исследованиями, так как:

1. ДНК состоит из 4 типов нуклеотидов (А, Т, Ц, Г), и это может быть

использовано для сравнения любых групп организмов, включая бактерий, протистов,

грибов, растений и животных. При использовании классического подхода такое

сравнение невозможно.

2. В процессе эволюции изменения ДНК происходят более или менее регулярно,

что позволяет использовать математические модели для определения изменений и

сравнения ДНК филогенетически отдаленных организмов. Оценить эволюционные

изменения морфологических признаков крайне сложно, особенно за короткий период

исторического развития органического мира.

3. Геномы всех организмов состоят из объемной последовательности

нуклеотидов и содержат значительно больше филогенетической информации, чем

морфологические признаки.

По этим причинам следует ожидать, что молекулярная филогенетика прояснит

ситуацию по установлению многих ветвей филогенетического древа, что невозможно

было сделать при использовании классического подхода. Это возможно в первую

очередь при анализе высококонсервативных последовательностей (например,

цитохрома с), которые оставались неизменными на протяжении длительных отрезков

геологического времени.

Систематика является одним из наиболее спорных разделов биологии.

Определение видов, родов, семейств и других таксономических категорий часто

довольно субъективно, и нет ничего удивительного в том, что два эксперта,

изучающие одну группу организмов (например, Drosophila), могут быть абсолютно не

согласны друг с другом в отношении ее принадлежности к подвиду, виду, роду,

семейству или ко всем категориям в совокупности. В филогенетике гораздо меньше

спорных вопросов, чем в систематике, так как первоначально устанавливаются

филогенетические связи, а лишь затем — таксономическая категория организмов.

Однако эти два раздела биологии тесно связаны между собой, потому что

классификация организмов отражает их эволюционную историю. В этом смысле

филогенетика играет важную роль в развитии научной основы систематики, хотя и не

решает всех проблем этой науки. Последние достижения молекулярной филогенетики

открывают новое понимание различных аспектов классификации организмов.

Следует отметить, что, в отличие от палеонтологических доказательств, данные

молекулярной эволюции относятся только к линиям, существующим в настоящее

время. Таким образом, полученные по аминокислотным и нуклеотидным

последовательностям данные не открывают специфических признаков белков тех

вымерших групп организмов, от которых не осталось потомков.

Краткая история молекулярной эволюции. В истории возникновения и

развития молекулярной эволюции как науки можно выделить два этапа. На первом

этапе молекулярная эволюция являлась подразделом сравнительной биохимии, а на

втором — выделилась в самостоятельную науку.

Возможность проводить количественное сравнение аминокислотных

последовательностей белков казалась весьма многообещающей для выяснения

эволюционного родства организмов. В 1962 г. Э. Цукеркэндл высказал мысль, что

изучение эволюции аминокислотных последовательностей белков может дать наиболее

точное представление об эволюционных взаимоотношениях и о некоторых

фундаментальных механизмах эволюции. М. Дэйхофф высказала надежду, что с

помощью новых методов будет возможным создать полное, снабженное

количественными показателями филогенетическое дерево — историю происхождения

всех видов живых существ.

При этом главной гипотезой при построении филогенетического древа на

основании молекулярных данных является постоянная частота замен в пределах

каждого набора гомологичных последовательностей. Эта гипотеза,

сформулированная Э. Цукеркэндлом и Л. Полингом, была названа гипотезой

молекулярных эволюционных часов.

В 1963 г. Э. Марголиаш предложил использовать число замен, накопившихся в

белке за определенный промежуток времени, для определения времени дивергенции

видов. Впоследствии этот подход стал использоваться и для установления времени

дивергенции родов и более крупных таксонов, а также для вычисления времени их

существования. В последующем проблеме эволюционных часов были посвящены

исследования Р. Дикерсона, Э. Уилсона, С. Карлсона и Т. Уайта. Р. Дикерсон

предложил единицу эволюционного времени.

В конце 60-х гг. прошлого столетия были выдвинуты две фундаментальные

теории молекулярной эволюции — теория М. Кимуры и теория Н. Суеоки.

Теория нейтральной молекулярной эволюции была предложена в 1968 г.

М. Кимурой на основании данных популяционной генетики и на установленных

скоростях замещений аминокислотных остатков в ряде белков и нуклеотидов в

нуклеиновых кислотах. Суть этой теории можно изложить в виде пяти постулатов,

первые четыре из которых — эмпирические, а пятый — установлен теоретическим

путем.

1. Скорость эволюции любого белка, выраженная через число аминокислотных

замен на сайт в год, приблизительно постоянна и одинакова в разных

филогенетических линиях, если функция и третичная структура этого белка

остаются в основном неизменными. Этот постулат формулирует гипотезу Э.

Цукеркэндла и Л. Полинга о молекулярных эволюционных часах.

2. Функционально менее важные молекулы или их части эволюционируют

(накапливая мутационные замены) быстрее, чем более важные.

3. Мутационные замены, приводящие к меньшим нарушениям структуры и

функции молекулы (консервативные замены), в ходе эволюции происходят чаще тех,

которые вызывают более существенное нарушение структуры и функции этой

молекулы.

4. Появлению нового в функциональном отношении белка всегда должна

предшествовать дупликация гена.

5. Селективная элиминация вредных мутаций и случайная фиксация

селективно нейтральных или очень слабо вредных мутаций происходит в ходе

эволюции гораздо чаще, чем положительный дарвиновский отбор благоприятных

мутаций.

Н. Суеока разработал первичный вариант теории мутационного давления в

60-е гг. XX в. Эта теория, основанная на эмпирических данных, провозгласила

основной причиной возникновения генных мутаций направленное мутационное

давление. Мутационное давление, согласно Н. Суеоке, представляет собой фактор

молекулярной эволюции, дающий материал для естественного отбора. Оно

обусловлено повышенной частотой возникновения и фиксации нуклеотидных

замещений аденина и тимина на гуанин и цитозин относительно частоты

возникновения и фиксации замен гуанина и цитозина на аденин и тимин (GC-

давление), или наоборот (AT-давление). Общим проявлением мутационного давления

является закономерное снижение или повышение уровня GC-насыщенности генома

(или хромосомы) в ряду поколений. Причины возникновения мутационного давления

до сих пор неизвестны. Это могут быть процессы дезаминирования нуклеотидов

(ферментативного и спонтанного),

периодическое возникновение ошибок в процессе репликации и репарации ДНК за

счет встраивания в цепочку ДНК 8-оксо-ГТФ или за счет дефектов работы самих