Nøytral teori om molekylær evolusjon - Neutral theory of molecular evolution

Den nøytrale teorien om molekylær evolusjon mener at de fleste evolusjonære endringene skjer på molekylært nivå, og det meste av variasjonen innenfor og mellom artene skyldes tilfeldig genetisk drift av mutante alleler som er selektivt nøytrale. Teorien gjelder bare for evolusjon på molekylært nivå, og er forenlig med at fenotypisk evolusjon formes av naturlig utvalg som postulert av Charles Darwin . Den nøytrale teorien gir mulighet for at de fleste mutasjoner er skadelige, men mener at fordi disse raskt fjernes ved naturlig seleksjon , gir de ikke betydelige bidrag til variasjon innenfor og mellom arter på molekylært nivå. En nøytral mutasjon er en mutasjon som ikke påvirker organismens evne til å overleve og reprodusere. Den nøytrale teorien antar at de fleste mutasjoner som ikke er skadelige, er nøytrale snarere enn fordelaktige. Fordi bare en brøkdel av kjønnsceller blir prøvetatt i hver generasjon av en art, antyder den nøytrale teorien at en mutant allel kan oppstå i en populasjon og nå fiksering ved en tilfeldighet, snarere enn ved selektiv fordel.

Teorien ble introdusert av den japanske biologen Motoo Kimura i 1968, og uavhengig av to amerikanske biologer Jack Lester King og Thomas Hughes Jukes i 1969, og beskrevet i detalj av Kimura i hans monografi fra 1983 The Neutral Theory of Molecular Evolution . Forslaget om den nøytrale teorien ble fulgt av en omfattende "nøytralistisk-seleksjonistisk" kontrovers om tolkningen av mønstre av molekylær divergens og genpolymorfisme , som toppet seg på 1970- og 1980-tallet.

Opprinnelse

Mens noen forskere, som Freese (1962) og Freese og Yoshida (1965), hadde antydet at nøytrale mutasjoner sannsynligvis var utbredt, og en original matematisk avledning av teorien hadde blitt publisert av RA Fisher i 1930, en sammenhengende teori om nøytral evolusjon ble først foreslått av Motoo Kimura i 1968, og av King og Jukes uavhengig i 1969. Kimura fokuserte først på forskjeller mellom arter, King og Jukes på forskjeller innenfor arter.

Mange molekylære biologer og populasjonsgenetikere bidro også til utviklingen av den nøytrale teorien. Prinsipper for populasjonsgenetikk , etablert av JBS Haldane , RA Fisher og Sewall Wright , skapte en matematisk tilnærming til å analysere genfrekvenser som bidro til utviklingen av Kimuras teori.

Haldanes dilemma om valg av kostnader ble brukt som motivasjon av Kimura. Haldane anslår at det tar omtrent 300 generasjoner for en gunstig mutasjon å bli fikset i en pattedyrsavstamning, noe som betyr at antall substitusjoner (1,5 per år) i utviklingen mellom mennesker og sjimpanser var for høy til å forklares med fordelaktige mutasjoner.

Funksjonell begrensning

Den nøytrale teorien mener at etter hvert som funksjonell begrensning avtar, øker sannsynligheten for at en mutasjon er nøytral, og frekvensen av sekvensdivergens bør også øke.

Ved sammenligning av forskjellige proteiner ble ekstremt høye evolusjonære hastigheter observert i proteiner som fibrinopeptider og C -kjeden til proinsulinmolekylet , som begge har liten eller ingen funksjonalitet sammenlignet med deres aktive molekyler. Kimura og Ohta anslår også at alfa- og betakjedene på overflaten av et hemoglobinprotein utvikler seg med en hastighet som er nesten ti ganger raskere enn de indre lommene, noe som vil antyde at den totale molekylære strukturen til hemoglobin er mindre signifikant enn innsiden der jernet -inneholdende hem -grupper bor.

Det er bevis på at frekvensen av nukleotidsubstitusjon er spesielt høy i den tredje posisjonen til et kodon , der det er liten funksjonell begrensning. Denne oppfatningen er delvis basert på den degenererte genetiske koden , der sekvenser av tre nukleotider ( kodoner ) kan variere og likevel kode for den samme aminosyren ( GCC og GCA koder for eksempel alanin ). Følgelig er mange potensielle endringer i enkeltnukleotid i virkeligheten "stille" eller "uuttrykt" (se synonymt eller stille substitusjon ). Slike endringer antas å ha liten eller ingen biologisk effekt.

Kvantitativ teori

Kimura utviklet også modellen for uendelige nettsteder (ISM) for å gi innsikt i evolusjonære frekvenser av mutante alleler . Hvis det skulle representere mutasjonshastigheten til kjønnsceller per generasjon individer, hver med to sett med kromosomer , er det totale antallet nye mutanter i hver generasjon . La oss nå representere utviklingshastigheten når det gjelder at en mutant allel blir fast i en populasjon. ${\ displaystyle v}$${\ displaystyle N}$${\ displaystyle 2Nv}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle \ mu}$

${\ displaystyle k = 2Nv \ mu}$

I følge ISM vises selektivt nøytrale mutasjoner med hastighet i hver av kopiene av et gen , og fikser seg med sannsynlighet . Fordi noen av genene har evnen til å bli fikset i en populasjon, er lik , noe som resulterer i utviklingshastighetsligningen: ${\ displaystyle \ mu}$${\ displaystyle 2N}$${\ displaystyle 1/(2N)}$${\ displaystyle 2N}$${\ displaystyle 1/2N}$${\ displaystyle \ mu}$

${\ displaystyle k = v}$

Dette betyr at hvis alle mutasjoner var nøytrale, er hastigheten som faste forskjeller akkumuleres mellom divergerende populasjoner spådd å være lik mutasjonsraten per individ, uavhengig av befolkningens størrelse. Når andelen mutasjoner som er nøytrale er konstant, så er divergensraten mellom populasjoner. Dette gir en begrunnelse for den molekylære klokken - som gikk foran nøytral teori. ISM demonstrerer også en konstantitet som observeres i molekylære linjer .

Denne stokastiske prosessen antas å følge ligninger som beskriver tilfeldig genetisk drift ved hjelp av prøvetakingsulykker, i stedet for for eksempel genetisk hakking av en nøytral allel på grunn av genetisk kobling med ikke-nøytrale alleler. Etter å ha oppstått ved mutasjon, kan en nøytral allel bli mer vanlig i befolkningen via genetisk drift . Vanligvis vil det gå tapt, eller i sjeldne tilfeller kan det bli fikset , noe som betyr at den nye allelen blir standard i befolkningen.

I følge den nøytrale teorien om molekylær evolusjon, bør mengden genetisk variasjon i en art være proporsjonal med den effektive populasjonsstørrelsen .

Den "nøytralistiske – seleksjonistiske" debatten

En opphetet debatt oppstod da Kimuras teori ble publisert, og dreide seg stort sett om de relative prosentandelene av polymorfe og faste alleler som er "nøytrale" versus "ikke-nøytrale".

En genetisk polymorfisme betyr at forskjellige former for bestemte gener, og dermed av proteinene de produserer, eksisterer samtidig i en art. Seleksjonister hevdet at slike polymorfismer opprettholdes ved å balansere utvalg , mens nøytralister ser på variasjonen av et protein som en forbigående fase av molekylær evolusjon . Studier av Richard K. Koehn og WF Eanes viste en sammenheng mellom polymorfisme og molekylvekt av deres molekylære underenheter . Dette er i samsvar med den nøytrale teorien om at større underenheter bør ha høyere mengder nøytral mutasjon. Seleksjonister, derimot, bidrar til at miljøforhold er de viktigste determinantene for polymorfismer i stedet for strukturelle og funksjonelle faktorer.

I følge den nøytrale teorien om molekylær evolusjon, bør mengden genetisk variasjon i en art være proporsjonal med den effektive populasjonsstørrelsen . Nivåer av genetisk mangfold varierer mye mindre enn folketellingens befolkningsstørrelser, noe som gir opphav til "variasjonens paradoks". Selv om høye nivåer av genetisk mangfold var et av de opprinnelige argumentene til fordel for nøytral teori, har variasjonens paradoks vært et av de sterkeste argumentene mot nøytral teori.

Det er et stort antall statistiske metoder for å teste om nøytral teori er en god beskrivelse av evolusjon (f.eks. McDonald-Kreitman-test ), og mange forfattere hevdet påvisning av seleksjon (Fay et al. 2002, Begun et al. 2007, Shapiro et al. 2007, Hahn 2008, Akey 2009, Kern 2018). Noen forskere har likevel hevdet at den nøytrale teorien fortsatt står, mens de utvider definisjonen av nøytral teori til å omfatte bakgrunnsvalg på koblede steder.

Nesten nøytral teori

Tomoko Ohta understreket også viktigheten av nesten nøytrale mutasjoner, i spesielt litt skadelige mutasjoner. De populasjonsdynamikk av nesten nøytrale mutasjoner er bare litt forskjellig fra de nøytrale mutasjoner med mindre den absolutte størrelsen av det merkede koeffisienten er større enn 1 / N, hvor N er den effektive populasjonsstørrelse med hensyn til valg. Verdien av N kan derfor påvirke hvor mange mutasjoner som kan behandles som nøytrale og hvor mange som er skadelige.

Se også

• Adaptiv evolusjon i det menneskelige genomet
• Samlet teori
• Masatoshi Nei
• Molekylær evolusjon
• Tomoko Ohta
• Samlet nøytral teori om biologisk mangfold
• konstruktiv nøytral evolusjon

Referanser

Eksterne linker

• Misforståelser om naturlig utvalg og tilpasning: den nøytrale teorien på http://evolution.berkeley.edu .
• "Feirer 50 år med den nøytrale teorien" . Molekylærbiologi og evolusjon . Juli 2018.