Moleküler saat - Molecular clock
|Bir serinin parçası|
|Evrimsel Biyoloji|
Moleküler saat kullanan bir teknikle bir figüratif terimdir mutasyon oranını ait biyomoleküllerin için zaman anlamak içinde tarih öncesi iki veya daha fazla zaman canlılar diverged . Bu tür hesaplamalar için kullanılan biyomoleküler veriler genellikle DNA , RNA için nükleotid dizileri veya proteinler için amino asit dizileridir . Mutasyon oranını belirlemek için kriterler genellikle fosil veya arkeolojik tarihlerdir. Moleküler saat ilk olarak 1962'de çeşitli hayvanların hemoglobin protein varyantları üzerinde test edildi ve moleküler evrimde türleşme veya radyasyon zamanlarını tahmin etmek için yaygın olarak kullanılıyor . Bazen bir gen saati veya bir evrim saati olarak adlandırılır .
Erken keşif ve genetik eşitlik
Sözde bir "moleküler saat"in varlığı fikri ilk olarak 1962'de farklı soylar arasındaki hemoglobindeki amino asit farklılıklarının sayısının zamanla kabaca doğrusal olarak değiştiğini fark eden Émile Zuckerkandl ve Linus Pauling'e atfedildi. fosil kanıtı. Bu gözlemi, belirli herhangi bir proteinin evrimsel değişim hızının zaman içinde ve farklı soylar üzerinde yaklaşık olarak sabit olduğunu iddia etmek için genelleştirdiler ( moleküler saat hipotezi olarak bilinir ).
Genetik eşit mesafe fenomeni 1963 not edilmiştir Emanuel Margoliash "arasında kalıntı arasında farklılıkların sayısı olduğu görünmektedir: yazdım, sitokrom c , herhangi iki türün en çok ilk olarak, bu iki türün neden evrim çizgileri bu yana geçen zaman koşullanır Eğer bu doğruysa, tüm memelilerin sitokrom c'si, tüm kuşların sitokrom c'sinden eşit derecede farklı olmalıdır.Balıklar, omurgalı evriminin ana gövdesinden kuşlardan veya memelilerden daha önce ayrıldığından, hem memelilerin hem de kuşların sitokrom c'si balıkların sitokrom c'sinden eşit derecede farklı olmalıdır. Benzer şekilde, tüm omurgalı sitokrom c, maya proteininden eşit derecede farklı olmalıdır." Örneğin, bir sazan ile kurbağa, kaplumbağa, tavuk, tavşan ve atın sitokrom c'si arasındaki fark %13 ila %14 arasında çok sabittir. Benzer şekilde, bir bakterinin sitokrom c'si ile maya, buğday, güve, ton balığı, güvercin ve at arasındaki fark %64 ile %69 arasında değişmektedir. Emile Zuckerkandl ve Linus Pauling'in çalışmalarıyla birlikte, genetik eşitlik sonucu, 1960'ların başlarında moleküler saat hipotezinin resmi varsayımına doğrudan yol açtı.
Benzer şekilde, 1967'de Vincent Sarich ve Allan Wilson , albümin proteinlerindeki modern Primatlar arasındaki moleküler farklılıkların , değerlendirdikleri tüm soylarda yaklaşık olarak sabit değişim oranlarının meydana geldiğini gösterdiğini gösterdi. Analizlerinin temel mantığı, eğer bir türün soyunun ortak atalarından beri kardeş türlerin soyundan daha hızlı evrimleşmiş olması durumunda, bir dış grup (daha uzaktan ilişkili) türler ile daha hızlı gelişen türler arasındaki moleküler farklılıkların daha büyük olması gerektiğini kabul etmeyi içeriyordu. çünkü bu soy üzerinde, dış grup türleri ve daha yavaş gelişen türler arasındaki moleküler farklılıklardan daha fazla moleküler değişiklik birikmiş olacaktı. Bu yöntem, bağıl hız testi olarak bilinir . Sarich ve Wilson'ın makalesi, örneğin, insan ( Homo sapiens ) ve şempanze ( Pan troglodytes ) albümin immünolojik çapraz reaksiyonlarının, Ceboidea (Yeni Dünya Maymunu) türlerinden (deneysel hata dahilinde) yaklaşık olarak eşit derecede farklı olduklarını öne sürdüğünü bildirdi . Bu, ortak atalarından bu yana albüminde yaklaşık olarak eşit değişiklikler biriktirdikleri anlamına geliyordu. Bu model, test ettikleri tüm primat karşılaştırmalarında da bulundu. Birkaç iyi belgelenmiş fosil dal noktası ile kalibre edildiğinde ( KT sınırından önce modern açıdan hiçbir Primat fosili bulunmadı ), bu, Sarich ve Wilson'ın insan-şempanze farklılığının muhtemelen sadece ~ 4-6 milyon yıl önce meydana geldiğini iddia etmesine yol açtı. .
tarafsız teori ile ilişki
Saat benzeri bir moleküler değişim hızının gözlemlenmesi, başlangıçta tamamen fenomenolojikti . Daha sonra, Motoo Kimura'nın çalışması, moleküler bir saati öngören nötr moleküler evrim teorisini geliştirdi . N tane birey olsun ve bu hesaplamayı basit tutmak için bireylerin haploid olmasına izin verin (yani her genin bir kopyasına sahip olun). Yeni bir bireyde nötr mutasyonların (yani uygunluk üzerinde etkisi olmayan mutasyonların) oranı olsun . Bu yeni mutasyonun popülasyonda sabitlenme olasılığı 1/N'dir, çünkü genin her kopyası bir diğeri kadar iyidir. Her nesil, her birey yeni mutasyonlara sahip olabilir, bu nedenle popülasyonda bir bütün olarak N yeni nötr mutasyon vardır. Bu, her nesil, yeni nötr mutasyonların sabitleneceği anlamına gelir . Moleküler evrim sırasında görülen değişikliklerin çoğu nötr ise, o zaman bir popülasyondaki fiksasyonlar , bir bireydeki nötr mutasyonların oranına eşit bir saat hızında birikir .
kalibrasyon
Moleküler saat yalnızca bir zaman periyodunun diğerinden iki kat daha uzun olduğunu söyleyebilir: somut tarihler atayamaz. Viral filogenetik ve antik DNA çalışmaları için – evrimsel bir zaman ölçeğinde dizileri örneklemenin mümkün olduğu iki evrimsel biyoloji alanı – moleküler saati daha kesin olarak kalibre etmek için ara örneklerin tarihleri kullanılabilir. Bununla birlikte, çoğu filogeni, moleküler saatin , fosil kayıtları gibi tarihlerle ilgili bağımsız kanıtlara göre kalibre edilmesini gerektirir . Fosil verilerini kullanarak moleküler saati kalibre etmenin iki genel yöntemi vardır: düğüm kalibrasyonu ve uç kalibrasyonu.
Düğüm kalibrasyonu
Bazen düğüm tarihleme olarak adlandırılan düğüm kalibrasyonu, düğümlere fosil kısıtlamaları yerleştirerek yapılan filogeni kalibrasyonu için bir yöntemdir . Düğüm kalibrasyon fosili, minimum yaşını sınırlamak için kullanılan, o dalın keşfedilen en eski temsilcisidir . Fosil kayıtlarının parçalı doğası nedeniyle, bir klanın en yakın gerçek ortak atası muhtemelen hiçbir zaman bulunamayacaktır. Düğüm kalibrasyon analizlerinde bunu hesaba katmak için, maksimum klad yaşı tahmin edilmelidir. Maksimum klad yaşını belirlemek zordur çünkü olumsuz kanıtlara , yani o kladda daha eski fosillerin bulunmamasına dayanır . Doğum-ölüm modelleri, fosil stratigrafik dağılım analizleri veya tafonomik kontrolleri kullanarak maksimum klad yaşını elde etmek için bir dizi yöntem vardır . Alternatif olarak, maksimum ve minimum yerine , sapma süresinin önceden bir olasılığı oluşturulabilir ve saati kalibre etmek için kullanılabilir. Fosil yaşına göre gerçek sapma yaşının olasılığını ifade etmek için kullanılabilecek normal , lognormal , üstel , gama , tek tip , vb. dahil olmak üzere birkaç önceki olasılık dağılımı vardır ; ancak olasılık dağılımının şeklini ve parametrelerini ampirik olarak tahmin etmek için çok az yöntem vardır. Kalibrasyon düğümlerinin ağaç üzerine yerleştirilmesi, sınırlandırılmamış düğümlerin yerleşimini bildirir ve filogeni boyunca sapma tarih tahminleri verir. Modern analizler ( BEAST ve r8s ) moleküler saati kalibre etmek için birden fazla fosilin kullanılmasına izin verirken, saat kalibrasyonunun tarihsel yöntemleri yalnızca tek bir fosil kısıtlamasını (parametrik olmayan hız yumuşatma) kullanabilirdi. Simülasyon çalışmaları, fosil kısıtlamalarının sayısının artmasının, sapma süresi tahmininin doğruluğunu arttırdığını göstermiştir.
Uç kalibrasyonu
Bazen uç tarihleme olarak adlandırılan uç kalibrasyonu, fosillerin takson olarak ele alındığı ve ağacın uçlarına yerleştirildiği bir moleküler saat kalibrasyonu yöntemidir . Bu, hem nesli tükenmiş hem de mevcut taksonlar için bir morfolojik veri seti ile birlikte mevcut taksonlar için moleküler bir veri seti içeren bir matris oluşturarak elde edilir . Düğüm kalibrasyonunun aksine, bu yöntem ağaç topolojisini yeniden yapılandırır ve fosilleri aynı anda yerleştirir. Moleküler ve morfolojik modeller aynı anda birlikte çalışarak morfolojinin fosillerin yerleşimini bilgilendirmesini sağlar. Uç kalibrasyonu, her bir dalın yalnızca en eski fosiline güvenmek yerine, saat kalibrasyonu sırasında ilgili tüm fosil taksonlarını kullanır. Bu yöntem, maksimum klad yaşlarını çıkarmak için olumsuz kanıtların yorumlanmasına dayanmaz.
Toplam kanıt tarihleme
Uç kalibrasyonuna yönelik bu yaklaşım, aynı anda fosil yerleşimini, topolojiyi ve evrimsel zaman ölçeğini tahmin ederek bir adım daha ileri gider. Bu yöntemde, bir fosilin yaşı, morfolojiye ek olarak filogenetik konumu hakkında bilgi verebilir. Ağacın yeniden yapılandırılmasının tüm yönlerinin aynı anda gerçekleşmesine izin vererek, yanlı sonuç riski azalır. Bu yaklaşım, farklı modellerle eşleştirilerek geliştirilmiştir. Moleküler saat kalibrasyonunun güncel bir yöntemi, fosilleşmiş doğum-ölüm (FBD) modeli ve bir morfolojik evrim modeli ile eşleştirilen toplam kanıt tarihlendirmesidir. FBD modeli, yaşayan bir taksonun veya soyun doğrudan atası olan fosil taksonları olan "örneklenmiş atalara" izin vermesi bakımından yenidir . Bu, fosillerin uçlarla sınırlı kalmak yerine, var olan bir organizmanın üzerindeki bir dal üzerine yerleştirilmesine olanak tanır.
yöntemler
Bayes yöntemlerle elde edilenler gibi geniş tür veri kümeleri, özellikle sapma kez daha uygun tahminleri sağlayabilir Filogenomik istihdam -Sen.
Sabit olmayan moleküler saat hızı
Bazen fosillerden yalnızca tek bir ayrılma tarihi tahmin edilebilir, diğer tüm tarihler bundan çıkarılır. Diğer tür kümelerinde bol miktarda fosil bulunur ve bu da sabit sapma oranları hipotezinin test edilmesini sağlar. Düşük seviyelerde negatif seçilim yaşayan DNA dizileri , bakterilerde, memelilerde, omurgasızlarda ve bitkilerde Myr başına %0.7-0.8'lik sapma oranları gösterdi . Aynı çalışmada, çok yüksek negatif veya arındırıcı seçilim (rRNA'yı kodlayan) yaşayan genomik bölgeler önemli ölçüde daha yavaştı (50 Myr başına %1).
Genomik konum ile orandaki bu tür varyasyona ek olarak, 1990'ların başından beri taksonlar arasındaki varyasyon, nispeten kısa evrimsel zaman periyotlarında bile (örneğin alaycı kuşlar ) araştırma için verimli bir zemin olduğunu kanıtlamıştır . Tüp burunlu deniz kuşları, muhtemelen uzun nesil süreleri nedeniyle, ortalama olarak diğer birçok kuşun yarı hızında çalışan moleküler saatlere sahiptir ve birçok kaplumbağa, küçük memelilerdeki hızın sekizde birinde, hatta daha yavaş çalışan bir moleküler saate sahiptir. Etkileri küçük nüfus büyüklüğü de muhtemelen moleküler saat analizleri karıştırmak için vardır. Francisco J. Ayala gibi araştırmacılar , moleküler saat hipotezine daha temelden meydan okudular. Ayala'nın 1999 çalışmasına göre, moleküler saat modellerinin uygulanmasını sınırlamak için beş faktör bir araya geliyor:
- Değişen nesil süreleri (Yeni mutasyonların oranı, en azından kısmen yıl sayısından ziyade nesil sayısına bağlıysa)
- Popülasyon boyutu ( Genetik sürüklenme küçük popülasyonlarda daha güçlüdür ve bu nedenle daha fazla mutasyon etkin bir şekilde nötrdür)
- Türe özgü farklılıklar (farklı metabolizma, ekoloji, evrimsel tarih, ... nedeniyle)
- İncelenen proteinin işlevindeki değişiklik (yakın akraba türlerde kodlamayan DNA dizileri kullanılarak veya sessiz mutasyonların vurgulanmasıyla önlenebilir )
- Doğal seçilimin yoğunluğundaki değişiklikler.
Moleküler saat kullanıcıları, maksimum olabilirlik teknikleri ve daha sonra Bayesian modelleme dahil olmak üzere bir dizi istatistiksel yaklaşım kullanarak geçici çözüm çözümleri geliştirdiler . Özellikle, farklılaşma sürelerine ilişkin daha iyi tahminler elde etmek için soylar arası hız değişimini hesaba katan modeller önerilmiştir. Bu modeller adlandırılabilinir moleküler saatler rahat onlar 'sıkı' moleküler saat hipotezinin ve arasında bir ara konum temsil çünkü Joseph Felsenstein 'ın birçok-oranları modeli ve doğrultusunda yapılır MCMC ağaç topolojileri ağırlıklı dizi keşfetmek ve aynı anda parametrelerini tahmin olduğunu teknikleri seçilen ikame modeli Moleküler saat kullanılarak çıkarılan sapma tarihlerinin doğrudan kanıtlara değil istatistiksel çıkarsama dayalı olduğu unutulmamalıdır .
Moleküler saat, çok kısa ve çok uzun zaman ölçeklerinde belirli zorluklarla karşılaşır. Uzun zaman ölçeklerinde sorun doygunluktur . Yeterli zaman geçtiğinde, birçok site birden fazla değişikliğe uğramıştır, ancak birden fazlasını tespit etmek imkansızdır. Bu, gözlemlenen değişiklik sayısının artık zamanla doğrusal olmadığı , bunun yerine düzleştiği anlamına gelir . Ara genetik mesafelerde bile, filogenetik veriler topolojiyi tahmin etmek için hala yeterliyken, ağacın genel ölçeği için sinyal, karmaşık olabilirlik modelleri altında zayıf olabilir ve bu da oldukça belirsiz moleküler saat tahminlerine yol açar.
Çok kısa zaman ölçeklerinde, numuneler arasındaki birçok farklılık , farklı popülasyonlardaki farklı dizilerin sabitlenmesini temsil etmez . Bunun yerine, her ikisi de ortak atada bir polimorfizmin parçası olarak mevcut olan alternatif alelleri temsil ederler . Henüz sabitlenmemiş farklılıkların dahil edilmesi , moleküler saatin görünen hızının çok kısa zaman ölçeklerinde potansiyel olarak dramatik bir şekilde şişmesine yol açar.
kullanır
Moleküler saat tekniği, moleküler sistematikte , organizmaların doğru bilimsel sınıflandırmasını belirlemek veya seçici kuvvetlerdeki varyasyonu incelemek için moleküler genetik bilgilerinin kullanılmasında önemli bir araçtır . Belirli soy kümelerinde yaklaşık olarak sabit moleküler evrim hızı bilgisi, canlı taksonlar arasındaki farklılıklar gibi fosillerle belgelenmemiş olanlar da dahil olmak üzere filogenetik olayların tarihlerinin tahminini kolaylaştırır . Bu durumlarda - özellikle uzun zaman dilimlerinde - moleküler saat hipotezinin (yukarıda) sınırlamaları dikkate alınmalıdır; bu tür tahminler %50 veya daha fazla kapalı olabilir.
Ayrıca bakınız
- Charles Darwin
- Gen siparişleri
- İnsan mitokondriyal moleküler saat
- Mitokondriyal Havva ve Y kromozomu Adem
- DNA evrimi modelleri
- moleküler evrim
- Nötr moleküler evrim teorisi
Referanslar
daha fazla okuma
- Ho, SYW, ed. (2020). Moleküler Evrimsel Saat: Teori ve Uygulama . Springer, Şam. doi : 10.1007/978-3-030-60181-2 . ISBN'si 978-3-030-60180-5. S2CID 231672167 .
- Kumar, S. (2005). "Moleküler saatler: kırk yıllık evrim". Doğa İncelemeleri Genetik . 6 (8): 654-662. doi : 10.1038/nrg1659 . PMID 16136655 . S2CID 14261833 .
- Morgan, GJ (1998). "Emile Zuckerkandl, Linus Pauling ve Moleküler Evrimsel Saat, 1959-1965". Biyoloji Tarihi Dergisi . 31 (2): 155–178. doi : 10.1023/A:1004394418084 . PMID 11620303 . S2CID 5660841 .
- Zuckerkandl, E .; Pauling, LB (1965). "Proteinlerde Evrimsel sapma ve yakınsama". Bryson'da, V.; Vogel, HJ (ed.). Gelişen Genler ve Proteinler . Akademik Basın, New York. s. 97–166.