Molekularni sat

Molekularni sat je tehnika koja za procjenu prahistorijske hronologije koristi stope mutacija biomolekula, kada su dva ili više oblika života međusobno razdvojili. Molekularni podaci koji se koriste za takve kalkulacije su obično nukleotidi, skvence DNK za ukupnu DNK ili aminokiselinske sekvence za proteina. Mjerila za određivanje stope mutacije često su fosilni ili arheološki podaci. Molekularni sat je prvi put testiran 1962. godine na varijantama hemoglobinskih proteina raznih životinja, a najčešće se koristi u molekularnoj evoluciji za procjenu vremena specijacije ili evolucijske radijacije. Tose ponekad označava i kao genski sat, genetički sat ili evolucijski sat.

Rana otkrića i genetička ekvidistanca

Ideja o postojanju i pojmu tzv. "molekularnog sata" se pripisuje Emilu Zuckerlandlu i Linusu Paulingu koji su, 1962. godine, primijetili je da se broj razlika u aminokiselinama hemoglobina između različitih biološkihg loza mijenja otprilike linearno. s vremenom, prema procjenama na osnovu fosilnih dokaza.^[1] Oni su generalizirali ovo zapažanje tvrdnjom da je stopa evolucijske promjene bilo kojeg određenog proteina otprilike konstantna kroz vrijeme i preko različitih loza (na osnovu hipoteze molekularnog sata MCH.^[2]

Fenomen genetičke ekvidistance je prvi put naveo Emanuel Margoliash, u 1963., koji je napisao:

"Čini se da je broj ostataka razlika između citohrima c bilo koje dvije vrste uglavnom uvjetovan proteklim vremenom evolucijske linije što je dovelo do prvobitnog razilaženja ove dvije vrste. Ako je to tačno, citokrom c svih sisara bi trebao biti jednako različit od citohroma c svih ptica. Budući da su ribe odstupile od glavnog stabla evolucije kičmenjaka ranije nego ptice ili sisari, citohrom c i sisara i ptica treba biti podjednako različit od citokrom c riba. Isto tako, citohrom c svih kičmenjaka bi trebao biti podjednako različit od proteina kvasca."^[3] Naprimjer, razlika između citohroma c šarana i žaba, kornjača, kokoši, zeca i konja je vrlo konstantna, oko 13% do 14%. Isto tako, razlika između citohroma c bakterija i kvasaca, pšenice, moljaca, tuna, goluba i konja kreće se od 64% do 69%. Zajedno sa radom Emila Zuckerkandla i Linusa Pauling, rezultati genetičke ekvidistance direktno su doveli formalnog postuliranja hipoteze molekularnog sata, u ranim 1960-im.^[4] Genetička ekvidistanca je često upotrebljavana za zaključivanje o jednakom vremenskom razdvajanju različitih sestrinskih vrsta iz vanjskih grupa.^[5][6]

Kasnije su Allan Wilson i Vincent Sarich dogradili ovaj rad i model.

Odnosi sa teorijom neutralizma

Posmatranje stopa promjena koje liče na molekularni sat, prvobitno je bilo čisto fenomenološko. Kasnije, radom Motooa Kimure^[7] razvijena je teorija neutralne moleculske evolucije, koja je predvidjela molekularni sat. Pretpostavimo neki N broj individua, a ako se ovaj proračun pojednostavi i neku jedinku koja je haploid (ima po jednu kopiju svakog gena). Stopa neutralnih mutacija (tj. mutacija bez efekta na fitnes) u novoj jedinki može biti ${\displaystyle \mu }$. Vjerovatnoća da će ova nova mutacija biti fiksirana u populaciji je onda 1/N, jer svaka kopija gena je dobra kao bilo koja druga. Svaka generacija, svaki jedinka može imati nove mutacije, tako da nove neutralne mutacije postoje ${\displaystyle \mu }$N u populaciji kao cjelini. To znači da će u svakoj generaciji, <math>\mu</ math> nova neutralna mutacije biti fiksirana. Ako je većina promjena tokom molekularne evolucije neutralna, a zatim fiksirana, u populaciji će akumulirati stopa sata koja je jednaka stopi neutralnih individualnih mutacija.

Kalibracija

Sam molekularni sat tek ukazuje da je jedan vremenski period dvostruko duži od drugog, ali ne može odrediti konkretno datiranje. Da bi se to postiglo, molekularni sat prvo mora biti kalibriran prema nezavisnim dokazima datiranja, kao što je fosilni zapis. Za virusnu filogenetiku i studije drevne DNK – dva područj evolucijske biologije, moguće je testirati sekvence preko evolucijske vremenske skale – za preciznije kalibriranje molekularnog sata mogu se koristiti datiranja intermedijernog uzoraka.^[8]

Nekonstantna stopa molekularnog sata

Ponekad se iz određenog fosila može procijeniti samo jedna varijanta datiranja divergencije, a sva ostala datiranja se mogu izvesti iz toga. Ostali setovi vrsta imaju na raspolaganju bogatstvo uzoraka fosila, omogućavajući da se ispituju konstantne stope divergencije MCH.^[9] DNK ispoljava nizak nivo negativne selekcije. Stopa divergencije joj je 0,7-0,8% po milionu godina, u bakterija, sisara, beskičmenjaka i biljaka. U istom istraživanju, genomske regije su ispoljile vrlo visoku negativnu ili pročišćavajuću selekciju (kodirajuće rRNK) i bile su znatno sporije (1% za 50 miliona godina).

Unatoč takvoj varijaciji u stopi pomjena genoma, od ranih 1990-ih, varijacija među taksonima se pokazala kao plodno tlo za mnoga istraživanja, čak i više za relativno kratku evoluciju (na primjer ptice rugalice). Tubastonose morske ptice (Procellariiformes) imaju takvu molekularnu dinamiku da je prosječni put upola sporiji od mnogih drugih ptica . Eventualno zbog dugog generacijskog vremena, mnoge kornjače imaju molekularni sat koji radi na jednoj osmini brzine onog u sitnih sisara ili čak sporije.^[10] Efekti male veličine populacije su vjerovatno zbunili analitičare molekularnog sata. Istraživači, kao što je Francisco Ayala, su temeljito osporili hipotezu molekularnog sata.^{[11][12][13][14][15]} Prema Ayalinim istraživanjima 1999. godine, kombinira pet faktora koji mogu ograničiti primjenu modela molekularnih satova.

• Promjena dužine generacijskog vremena (ako je stopa novih mutacija djelimično ovisi o broju generacija u određenom vremenu, godišnje, npr).
• Veličina populacije (genetički drift je djelotvorniji u malim populacijama pa je više mutacija posljedično neutralna).
• Specifične međuspecijske razlike (uzrokovane metabolizmom ecologijom, evolucijskom historijom i sl.)
• Promjene u funkciji proučavanih proteina (mogu se izbjeći u blisko srodnih vrsta, koristeći sekvence nekodirajuće DNK ili naglašavajući tihe mutacije)
• Promjene u intenzitetu prirodnog odabiranja.

Šumski bambus (pleme Arundinaria, Bambuseae) ima duže generacijsko vrijeme i nižu stopu mutacija, kao što je izraženo kratkim granama u filogenetskom stablu, nego što je brzina evolucije zeljastog bambusa (Olyreae).

Korisnici molekularnog sata razvili su rešenje rješenja koristeći brojne statističke pristupa, uključujući maksimalnu vjerovatnoću (maximum likelihood) i kasnije modeliranje sa predubjeđenjem (statistika pristrasnosti, Byas ststistics). Konkretno, predloženi su modeli koji uzimaju u obzir stopu varijacije evolucijske linije, kako bi se dobile bolje procjene datiranja divergencije. Ovi modeli se nazivaju opušteni molekularni satovi (relaksirani molekularni satovi)^[16] zato što predstavljaju intermedijarnu poziciju između hipoteze striktnog molekularnog sata i višestepenog modela Josepha Felsensteina.^[17] Moguće je da su urađeni prema tehnikama MCMC, koje istražuju ponderirani opseg topologije stabla i istovremeno procjenjuju parametre izabranog modela supstitucije. Ne smije se zaboraviti da je osnov procjene termina divergencija pomoću molekularnog sata statističko zaključivanje , a ne direktni dokazi.

Ideja o molekularnom satu pokreće posebne izazove u vrlo kratakim i vrlo dugim vremenskim okvirima. Na duge vremenske skale, problem je zasićenje. Kada je prošlo dovoljno vremena, mnogi lokusi su prošli više od jedne promjene, ali je nemoguće otkriti više od jedne. To znači da poštovani broj promjena više nije linearnan sa vremenom, već potpuno izvan.

U vrlo kratkom vremenu , mnoge razlike između uzoraka ne predstavljaju fiksaciju različitih sekvenci u različitim populacijama. Umjesto toga, oni predstavljaju alternativu alela koji su bili prisutni kao dio polimorfizma kod zajedničkog pretka. Uključivanje razlike koje još nisu postali fiksirane dovodi do potencijalno dramatične inflacije prividne stope molekularnog sata u vrlo kratkimm rokovima.^[18][19]

Metodi

Metod pristrasnosti može omogućiti mnogo pouzdanije procjene vremena divergencije, posebno na dugim vremenskim distancama – takvim koje doprinose filogenomici.^[20]

Primjena

Tehnika molekularnog sata je važan alat u molekularnoj sistematici, upotrebi molekularno-genetičkih informacija da se utvrdi tačna naučna klasifikacija organizama ili da se istražuju varijacije snaga prirodnog odabiranja.

Poznavanje približno konstantne brzine molekularne evolucije posebno seta evolucijskih linija olakšava utvrđivanje datiranja filogenetskih događaja, uključujući i one koji nisu dokumentirani prema fosilima, kao što je odstupanje od živućih takson a i formiranje filogenetskog stabla. U ovim slučajevima, naročito se moraju uzeti u obzir veliki vremenski raspona, kao u MCH sistemu (gore), tako da ove procjene mogu pogriješiti i 50% ili više.

Reference

1. Emile Zuckerkandl, and Linus Pauling (1962). "Molecular disease, evolution, and genic heterogeneity". u Kasha, M. and Pullman, B (editors) (ured.). Horizons in Biochemistry. Academic Press, New York. str. 189–225.
2. Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005). Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo. ISBN 9958-9344-3-4.
3. Margoliash E (oktobar 1963). "PRIMARY STRUCTURE AND EVOLUTION OF CYTOCHROME C". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 50 (4): 672–9. doi:10.1073/pnas.50.4.672. PMC 221244. PMID 14077496.
4. Kumar S (august 2005). "Molecular clocks: four decades of evolution". Nat. Rev. Genet. 6 (8): 654–62. doi:10.1038/nrg1659. PMID 16136655.
5. Pesole G, Gissi C, De Chirico A, Saccone C (april 1999). "Nucleotide substitution rate of mammalian mitochondrial genomes". J. Mol. Evol. 48 (4): 427–34. doi:10.1007/PL00006487. PMID 10079281.
6. Huang, S. (2008) The genetic equidistance result of molecular evolution is independent of mutation rates. J. Comp. Sci. Syst. Biol., 1: 92-102. http://omicsonline.com/ArchiveJCSB/Ab01/JCSB1.092.html Arhivirano 3. 3. 2016. na Wayback Machine
7. Kimura, Motoo (1968). "Evolutionary rate at the molecular level". Nature. 217 (5129): 624–626. doi:10.1038/217624a0. PMID 5637732.
8. Benton, M. J. and Donoghue, P. C. J. (2007). "Paleontological evidence to date the Tree of Life". Molecular Biology & Evolution. 24 (1): 26–53. doi:10.1093/molbev/msl150. PMID 17047029.
9. Ochman H, Wilson AC. (1987). "Evolution in bacteria: evidence for a universal substitution rate in cellular genomes". J Mol Evol. 26 (1–2): 74–86. doi:10.1007/BF02111283. PMID 3125340.
10. Rheindt, F. E. and Austin, J. (2005). "Major analytical and conceptual shortcomings in a recent taxonomic revision of the Procellariiformes - A reply to Penhallurick and Wink (2004)" (PDF). Emu. 105 (2): 181–186. doi:10.1071/MU04039.
11. Douzery, E.J.P., Delsuc, F., Stanhope, M.J. and Huchon, D. (2003). "Local molecular clocks in three nuclear genes: divergence times for rodents and other mammals, and incompatibility among fossil calibrations". Journal of Molecular Evolution. 57: S201–S213. doi:10.1007/s00239-003-0028-x. PMID 15008417.
12. Hunt, J.S., Bermingham, E., and Ricklefs, R.E. (2001). "Molecular systematics and biogeography of Antillean thrashers, tremblers, and mockingbirds (Aves: Mimidae)". Auk. 118 (1): 35–55. doi:10.1642/0004-8038(2001)118[0035:MSABOA]2.0.CO;2. ISSN 0004-8038. Arhivirano s originala, 9. 8. 2011. Pristupljeno 26. 4. 2016.
13. Avise, J.C., Bowen, W., Lamb, T., Meylan, A.B. and Bermingham, E. (1. 5. 1992). "Mitochondrial DNA Evolution at a Turtle's Pace: Evidence for Low Genetic Variability and Reduced Microevolutionary Rate in the Testudines". Molecular Biology and Evolution. 9 (3): 457–473. PMID 1584014.
14. Ayala, F.J. (1999). "Molecular clock mirages". BioEssays. 21 (1): 71–75. doi:10.1002/(SICI)1521-1878(199901)21:1<71::AID-BIES9>3.0.CO;2-B. PMID 10070256. Arhivirano s originala, 16. 12. 2012. Pristupljeno 26. 4. 2016.
15. Schwartz, Jeffrey H.; Maresca, Bruno (decembar 2006). "Do Molecular Clocks Run at All? A Critique of Molecular Systematics". Biological Theory (jezik: engleski). 1 (4): 357–371. doi:10.1162/biot.2006.1.4.357. ISSN 1555-5542.
16. Drummond, A.J., Ho, S.Y.W., Phillips, M.J. and Rambaut A. (2006). "Relaxed Phylogenetics and Dating with Confidence". Public Library of Science, PLoS Biology. 4 (5): e88. doi:10.1371/journal.pbio.0040088. PMC 1395354. PMID 16683862.
17. "Taking variation of evolutionary rates between sites into account in inferring phylogenies". J Mol Evol. 53: 447–55. doi:10.1007/s002390010234. PMID 11675604.
18. Ho SYW, Phillips MJ, Cooper A, Drummond AJ (2005). "Time dependency of molecular rate estimates and systematic overestimation of recent divergence times". Molecular Biology & Evolution. 22 (7): 1561–1568. doi:10.1093/molbev/msi145. PMID 15814826.
19. Peterson GI, Masel J (2009). "Quantitative Prediction of Molecular Clock and Ka/Ks at Short Timescales". Molecular Biology & Evolution. 26 (11): 2595–2603. doi:10.1093/molbev/msp175. PMC 2912466. PMID 19661199.
20. Dos Reis, M.; Inoue, J.; Hasegawa, M.; Asher, R. J.; Donoghue, P. C. J.; Yang, Z. (2012). "Phylogenomic datasets provide both precision and accuracy in estimating the timescale of placental mammal phylogeny". Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 279 (1742): 3491–3500. doi:10.1098/rspb.2012.0683.

Vanjski linkovi

• Allan Wilson and the molecular clock
• Molecular clock explanation of the molecular equidistance phenomenon
• Date-a-Clade service for the molecular tree of life
• http://www.springerlink.com/content/l1723tq0q2751215/fulltext.pdf^{[mrtav link]}