Справочник терминов молекулярной эволюции и филогенетики
Подождите немного. Документ загружается.
ДНК-полимераз. Теория Н. Суеоки во многом базируется на теории нейтральной
эволюции и не противоречит ее основным положениям.
С момента опубликования базовых теорий начинается второй этап развития
молекулярной эволюции как науки. Этот этап характеризуется разработкой большого
количества методов молекулярной эволюции и филогенетики с последующим
определением их эффективности при помощи компьютерного моделирования. Среди
исследователей, занимающихся этой проблемой, следует назвать М. Нея, С. Кумара,
С. Гадагкар и др. Другая часть исследователей (Ш. Йокояма, Д. Хэрри и др.)
занимается использованием предложенных методов на практике для анализа
эволюции генетических макромолекул.
Разделы молекулярной эволюции. Молекулярная эволюция включает в себя
два основных раздела: эволюцию генетических макромолекул (собственно
молекулярную эволюцию) и молекулярную филогению.
Эволюция макромолекул изучает типы и скорости изменений, происходящих в
генетическом материале (ДНК, РНК), а также в образованных на его основе белков, и
механизмы, ответственные за эти изменения.
Молекулярная филогения изучает эволюционную историю макромолекул и
организмов, основанную на изучении нуклеотидных и аминокислотных
последовательностей.
Может показаться, что эти два раздела молекулярной эволюции совершенно
независимы друг от друга, поскольку целью первого является установление причин и
следствий эволюционных изменений в молекулах, тогда как второй использует эти
молекулы просто как средство для восстановления биологической истории
организмов и их генетических составляющих. Однако на практике эволюция
макромолекул и молекулярная филогения взаимосвязаны, и прогресс в одном из этих
разделов способствует исследованиям в другом. Например, знание филогении
необходимо для определения последовательности изменений в изучаемых молекулах,
а знание способов и темпов изменений изучаемой молекулы необходимо для
восстановления эволюционной истории группы организмов.
Иногда выделяют и третий раздел молекулярной эволюции — пребиотическую
эволюцию или «происхождение жизни». Основное отличие этого раздела от двух
других заключается в том, что он слишком умозрителен и в гораздо меньшей степени
11
поддается количественному анализу. Развитие пребиотической эволюции
ограничивается тем, что в настоящее время неизвестны законы, направляющие
процесс переноса информации в пребиотических системах (т. е. системах, лишенных
реплицирующихся генов).
Изучение молекулярной эволюции базируется на двух дисциплинах:
популяционной генетике и молекулярной биологии. Популяционная генетика дает
теоретическую базу для изучения эволюционных процессов, а молекулярная
биология предоставляет опытные данные.
Методы молекулярной эволюции. Методы молекулярной эволюции
подразделяются на 2 группы:
I. Методы эволюции макромолекул:
1. Методы поиска гомологичных последовательностей в базах данных (Blast
search, PSI-Blast search и др.). Эта группа методов предназначена для создания
полной выборки последовательностей изучаемого белка или нуклеиновой кислоты.
2. Методы выравнивания последовательностей нуклеиновых кислот и белков
(Clustal W Protein, Multalin DNA и др.). Проведение выравнивания необходимо для
последующего изучения изменений сравниваемых нуклеотидных и аминокислотных
последовательностей.
3. Методы определения картины замещений в выравненных
последовательностях (композиционная дистанция, индекс несоответствия, метод
Монте-Карло и др.). Знание картины замещений в сравниваемых
последовательностях требуется для дифференцированного использования разных
методов и формул для вычисления эволюционных изменений.
4. Методы изучения эволюционных изменений аминокислотных
последовательностей (количество аминокислотных различий, p-дистанция и др.).
5. Методы определения характера аминокислотных замен (дистанция
Грэнтсема, индекс Танга и др.) позволяют установить степень консервативности или
радикальности замен.
6. Методы изучения эволюционных изменений нуклеотидных
последовательностей (методы Джукса–Кантора, Кимуры и др.) более информативны,
так как учитывают не только меняющие аминокислоту (собственно
несинонимичные) замещения, но и молчащие (синонимичные) замены.
12
7. Методы изучения синонимичных и несинонимичных нуклеотидных замен
(методы Нея–Годжобори, Кумара и др.) позволяют проанализировать эти замены и
использовать полученные данные для проведения селекционных тестов.
8. Селекционные тесты (дифференция дистанций, ADAPSITE и др.) служат для
установления вида отбора в сравниваемых нуклеотидных и аминокислотных
последовательностях.
9. Методы изучения использования кодонов в последовательностях
нуклеиновых кислот (RSCU, метод определения коэффициента нейтральности Н.
Суеоки и др.) необходимы для детального изучения эволюционных изменений ДНК
и РНК.
10. Вспомогательные методы (GZ-gamma, расчетное соотношение транзиций и
трансверсий и др.) позволяют получить промежуточные величины, используемые
другими методами.
II. Методы молекулярной филогении:
1. Дистанционно-матричные методы (метод связывания ближайших соседей,
метод минимальной эволюции и др.) используют для создания филогенетических
деревьев (дендрограмм) различные коэффициенты их сходства.
2. Дискретные методы (метод максимальной парсимонии и др.) строят
дендрограммы, используя непосредственно нуклеотидные или аминокислотные
последовательности.
В заключение следует отметить, что динамическое развитие молекулярной
эволюции как науки обеспечивается тем, что результаты проводимых исследований
имеют важное значение. Во-первых, выявление ранее неизвестных закономерностей
эволюционных изменений генетических макромолекул способствует развитию
представлений об общей стратегии молекулярной эволюции, а также развитию
фундаментальных наук. Во-вторых, филогенетические исследования нуклеиновых
кислот и белков, а также построение на их основе дендрограмм важны для
таксономии. В-третьих, полученные результаты могут служить основой для
разработки исследований прикладного характера, связанных с изучением механизмов
нарушения функции изучаемых ферментов и гормонов (алкогольдегидрогеназ,
аденилатциклаз, инсулинов и др.) при различных патологических состояниях.
Важным является то, что полученные данные об эволюционно совершенных
13
последовательностях белков и нуклеиновых кислот могут быть использованы для
разработки практических рекомендаций по химическому синтезу иРНК и/или генов,
что найдет применение в генно-инженерных исследованиях.
14
А
Аберрация (хромосомная мутация) — структурная перестройка
хромосом под действием мутагенов.
Абсолютно GC-бедный кодон — кодон, не содержащий гуанин и
цитозин ни в одном из трех положений.
Абсолютно GC-богатый кодон — кодон, содержащий гуанин и/или
цитозин во всех трех положениях.
Адаптор — молекула тРНК, подносящая аминокислоты к
информационной РНК при трансляции.
Аденин — 6-аминопурин; пуриновое основание, входящие в состав ДНК,
РНК и коферментов (НАД
+
, НАДФ).
А + Т / Г + Ц-соотношение — процентное соотношение количества пар
«аденин–тимин» к числу пар «гуанин–цитозин».
Азотистые основания нуклеиновых кислот — ароматические
азотсодержащие основания, входящие в состав нуклеотидов нуклеиновых
кислот. Бывают пуриновые и пиримидиновые.
Активация аминокислоты — процесс образования аминоацил-тРНК.
Активный сайт белка — участок белковой молекулы, который имеет
определенную структуру, а аминокислоты, входящие в него, являются
функционально активными.
Активный центр фермента — участок фермента, формирующийся
благодаря взаимному расположению определенных аминокислотных остатков,
вследствие чего он проявляет специфичность в отношении субстрата.
Акцепторная точка сплайсинга — участок ДНК между правым концом
интрона и левым концом экзона.
Аллели — возникшие в результате мутации различные состояния одного
гена.
Аллельные гены — гены, расположенные в одинаковых локусах
гомологичных хромосом и определяющие различные состояния одного
признака.
Амбер-кодон — триплет УАГ информационной РНК, один из
бессмысленных кодонов, обуславливающий терминацию синтеза белка.
Амбер-мутация — мутация, приводящая к возникновению амбер-кодона.
Амбер-супрессор — ген, кодирующий мутантную тРНК, способную
узнавать амбер-кодон как смысловой, благодаря чему синтез белка может быть
продолжен.
Аминоацил-тРНК — транспортная РНК, несущая аминокислоту.
Аминоацил-тРНК-синтетаза — фермент, осуществляющий ковалентное
присоединение аминокислоты к 2΄– или 3΄– ОН концам тРНК.
Аминоацильный центр рибосомы — участок рибосомы, к которому
присоединяется аминоацил-тРНК, если антикодон этой тРНК комплементарен
кодону иРНК, находящемуся в данный момент в аминоацильном центре.
Аминокислоты — класс органических соединений, для которых
характерно наличие карбоксильной группы и аминогруппы.
15
Аминотерминальный конец — конец полипептидной цепи, имеющий
свободную аминогруппу.
Амплификация — увеличение числа копий гена.
Антикодон (антитриплет) — триплет тРНК, комплементарный кодону
иРНК; их взаимодействие в процессе трансляции определяет место
аминокислоты в полипептидной цепи.
Антимутагены — факторы, снижающие частоту спонтанных и
индуцированных мутаций.
Антисмысловая цепь — одна из цепей ДНК, нуклеотидная
последовательность которой идентична иРНК, транскрибированной с
соответствующей смысловой цепи, за исключением того, что она содержит
тимин вместо урацила.
Антитерминаторные белки — белки, позволяющие РНК-полимеразе
продолжать транскрипцию, проходя определенные сайты терминации
транскрипции.
Апоиндуктор — белок, взаимодействующий с ДНК для включения
транскрипции РНК-полимеразой.
Апорепрессор — белок, регулирующий действие белка-репрессора.
АТ-давление — направление мутационного давления в ДНК, при
котором частота возникновения и фиксации замен аденина и тимина на гуанин
и цитозин меньше частоты замен гуанина и цитозина на аденин и тимин.
Аттенуатор — терминаторная последовательность, на которой
происходит аттенуация.
Аттенуация — регуляция транскрипции на уровне терминации,
осуществляемая при экспрессии некоторых бактериальных оперонов.
Аутосинтетическая функция ДНК — способность ДНК контролировать
собственную репликацию благодаря наличию в ней генетической информации,
обеспечивающей осуществление всех необходимых процессов и механизмов
для синтеза комплементарной молекулы.
Б
Белки — генетические макромолекулы, состоящие из аминокислотных
остатков, соединенных пептидными связями.
Белок, дестабилизирующий спираль — см. геликаза.
Бессмысленный кодон — см. нонсенс-кодон.
Биогенетический закон — см. закон Геккеля–Мюллера.
Биохимическая генетика — раздел генетики, изучающий механизмы
генетического контроля метаболизма химических соединений и других
биохимических процессов в течение жизненного цикла организмов.
Биохимическая мутация — мутация, обуславливающая изменение
обменных процессов, нарушающая или изменяющая синтез веществ,
необходимых для нормальной жизнедеятельности.
Блоттинг — метод переноса электрофоретически разделенной ДНК, ее
фрагментов, РНК, ее фрагментов или белка с геля (агарозного или
полиакриламидного) на бумагу или мембрану (нитроцеллюлозу и др.)
16
Блуждающие гены — см. транспозоны.
Бутстрэп — альтернативный метод вычисления значений варианс
дистанций и их дифференций, а также статистического подтверждения
корректности дендрограмм.
В
Вариабельные сайты — нуклеотидные или аминокислотные сайты
выравненных последовательностей, в которых наблюдаются замены.
Ведущая цепь ДНК — см. лидирующая цепь ДНК.
Вид — 1. Совокупность особей, занимающих определенный ареал,
имеющих генетическое, морфологическое, физиологическое и поведенческое
сходство, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое
потомство. 2. Репродуктивно изолированные единицы, эволюционирующие
независимо и расходящиеся в генетическом отношении друг от друга.
Видимые мутации — фенотипически проявляющиеся мутации,
противоположные в этом отношении летальным мутациям.
Внеплановый синтез — синтез ДНК, индуцированный ее повреждением.
Водородная связь — слабое, нековалентное электростатическое
взаимодействие между полярными группами, имеющими в своем составе
атомы водорода и электроотрицательные атомы кислорода, азота или хлора.
Время действия гена — период функционирования гена.
Вторичная структура белка — упаковывание линейной полипептидной
цепи белка с образованием -структур, α-спиральных участков и других
структур за счет образования водородных связей.
Выравнивание аминокислотных или нуклеотидных
последовательностей — процесс сопоставления сравниваемых
последовательностей для такого их взаиморасположения, при котором
наблюдается максимальное количество совпадений аминокислотных остатков
или нуклеотидов. Может быть попарным и множественным.
Вырожденность (избыточность) — свойство генетического кода,
состоящее в записи одной и той же информации (аминокислоты) разными
триплетами нуклеотидов. Может быть систематической и несистематической.
Г
Гамма-дистанция — эволюционная дистанция между аминокислотными
последовательностями, учитывающая вариацию скорости замен в сайтах в
соответствии с гамма-распределением.
Геликазы (хеликазы) — белки, дестабилизирующие спираль ДНК и
препятствующие объединению одноцепочечных фрагментов.
Ген — ограниченный участок геномной ДНК (или РНК у некоторых
вирусов), отвечающий за определенную и специфическую функцию. Делятся на
структурные и функциональные.
Генетико-автоматические процессы — см. дрейф генов.
17
Генетический груз — насыщенность популяции или вида рецессивными
генами, снижающими приспособленность отдельных особей к среде обитания
по сравнению со всей популяцией.
Генетический код — система записи генетической информации в ДНК
или иРНК в виде определенной последовательности нуклеотидов.
Генетический шаг — мера близости (родства) у человека.
Генная инженерия — раздел молекулярной биологии и генетики,
предметом которого является создание организмов и структур с определенной
генетической программой.
Генная мутация — мутация, при которой происходит изменение
структуры отдельного гена.
Генокопии — сходные изменения фенотипа, обусловленные мутациями
разных неаллельных генов.
Геном — совокупность генов в гаплоидном наборе хромосом.
Геномная мутация — мутация, обусловленная изменением числа
хромосом в кариотипе.
Ген-оператор — участок оперона или транскриптона, обеспечивающий
доступ РНК-полимеразы к структурным генам путем взаимодействия с
регуляторными белками.
Геносистематика — подход к классификации организмов, в котором
принадлежность организма к тому или иному таксону определяют исходя из
его генетического родства (эволюционных отношений).
Генофонд — совокупность генов популяции (вида).
Ген-регулятор — ген, ответственный за синтез белка-репрессора,
посредством которого регулируется работа оперона или транскриптона.
Гены-мутаторы — гены, увеличивающие частоту мутаций других
независимых генов.
Гены репликации — гены, содержащие сайты, отвечающие за начало и
конец репликации ДНК.
Гетерогенная картина замен аминокислотных остатков — картина
замен, для которой не характерно постоянство относительных частот замены
одного аминокислотного остатка на другой при сравнительном анализе
аминокислотных последовательностей.
Гетерогенная картина замен нуклеотидов — картина замен, для
которой не характерно постоянство относительных частот замены одного
нуклеотида на другой при сравнительном анализе нуклеотидных
последовательностей.
Гетеродимер — белок, образованный двумя полипептидными цепями,
различающимися по последовательности составляющих их аминокислот, часто
кодируемых разными генами.
Гетерозигота — особь, в соматических клетках которой содержатся
различные аллели одного гены (Аа).
Гетеросинтетическая функция ДНК — способность ДНК обеспечивать
синтез РНК и белков в процессе транскрипции и трансляции благодаря
заключенной в ней генетической информации.
18
Гипервариабельные сайты — высокополиморфные
последовательности, рассеянные по геному, содержащие короткие, обычно ГЦ-
богатые, тандемно повторяющиеся блоки, функция которых пока не выяснена.
Гипотеза Гудмена — гипотеза о том, что дупликация гена является
одним из механизмов возникновения функциональной дивергенции.
Гипотеза молекулярных эволюционных часов (гипотеза Э.
Цукеркэндла и Л. Полинга) — гипотеза о постоянстве скорости
молекулярной эволюции любого белка в разных филогенетических линиях при
его неизменной третичной структуре и функции.
Гипотеза «один ген – один полипептид» — гипотеза, предполагающая
существование большого класса генов, каждый из которых контролирует
синтез одного полипептида.
Гистоны — низкомолекулярные высококонсервативные белки, богатые
основными аминокислотами, содержащиеся в ядре и участвующие в упаковке
ДНК.
Гомогенная картина замен аминокислотных остатков — картина
замен, характеризующаяся постоянством относительных частот замены одного
аминокислотного остатка на другой при сравнительном анализе
аминокислотных последовательностей.
Гомогенная картина замен нуклеотидов — картина замен,
характеризующаяся постоянством относительных частот замены одного
нуклеотида на другой при сравнительном анализе нуклеотидных
последовательностей.
Гомодимер — белок, состоящий из идентичных полипептидов.
Гомозигота — особь, в соматических клетках которой содержатся
одинаковые аллели одного гена (АА, аа).
Гомологи — сходные по структуре и функции гены или белки, имеющие
общее эволюционное происхождение и обнаруживающиеся у филогенетически
родственных организмов (например, человека и мыши).
Гомология аминокислотных последовательностей — сходство
выравненных аминокислотных последовательностей, выраженное в процентах.
Гомология нуклеотидных последовательностей — сходство
выравненных нуклеотидных последовательностей, выраженное в процентах.
Горячая точка нуклеиновой кислоты — участок ДНК или РНК, в
котором велика частота возникновения мутаций (или рекомбинаций).
Группа сцепления — совокупность генов одной хромосомы (пары
гомологичных хромосом), наследующихся совместно.
Гуанин — 2-амино-6-оксипурин, пуриновое основание, входящее в
состав ДНК и РНК.
ГЦ-давление — направление мутационного давления в ДНК, при
котором частота возникновения и фиксации замен аденина и тимина на гуанин
и цитозин превышает частоту замен гуанина и цитозина на аденин и тимин.
ГЦ-содержание (ГЦ-насыщенность) — общее содержание гуанина и
цитозина в гене, молекуле ДНК или геноме, выражаемое в процентах от общего
содержания оснований.
19
Гэпы — см. инделы.
20