Генетика популяций - Хедрик Ф.
ISBN 5-94836-007-5
Скачать (прямая ссылка):
с. Молекулярные часы
В конце 1960-х годов накопились данные об аминокислотных последовательностях белков, которые свидетельствовали, что мутации в эволюции этих последовательностей происходят с постоянной скоростью (King, Jukes, 1969). Если такое регулярное замещение нуклеотидов существует, то различия в аминокислотной или нуклеотидной последовательностях могут служить в качестве молекулярных часов, показывая момент времени, когда два вида дивергировали от общего предка. Ки-мура (Kimura, 1968) считал, что идея молекулярных часов согласуется с
гипотезой нейтральности молекулярных вариантов относительно друг друга (см. выше). Другими словами, если замена молекулярных вариантов во времени является функцией генетического дрейфа и мутаций, то она приведет к относительно регулярным оборотам (заменам) молекулярных вариантов во времени.
До разработки современной методики секвенирования ДНК для определения скорости замещений нуклеотидов и сравнения последовательностей ДНК разных организмов использовали молекулярные данные по аминокислотным последовательностям белков. Поскольку сейчас значительно легче секвенировать ДНК, чем определить аминокислотную последовательность, последние обычно узнают исходя из нуклеотидных последовательностей. Рассмотрим более простой подход, используемый для определения скорости замещения в белках, и затем обсудим оценку скорости замещения для последовательностей ДНК.
Предположим, что у двух видов известно число различий в гомологичной аминокислотной последовательности определенного белка. Пусть N - число аминокислот, которые можно сравнивать у этих видов и которое исключает любые инсерции или делеции (мы касаемся только аминокислотных замен), и пусть d - пропорция различающихся сайтов между двумя последовательностями. Когда аминокислоты в определенной позиции различны, это показывает, что в течение эволюции вида, произошла, по крайней мере, одна аминокислотная замена. Мы можем оценить Каа - среднее число аминокислотных замен на сайт при условии независимости этих замен в разных сайтах. Из распределения Пуассона следует, что вероятность отсутствия замены в любом сайте равна:
Рг(0 замещений) = е~к“, а вероятность одной или более замен равна:
Рг(> Замещения) = 1 - е~к“.
Если доля сайтов, в которых последовательности различны, равна:
d = 1 - е~к-,
аа 7
то оценка числа аминокислотных замен на сайт составит:
*, = -14(1-0 (9-За)
(Zuckerlandl, Pauling, 1965) с вариансой
<«ь>
(Kimura, 1969). Стандартная ошибка здесь равна корню квадратному ва-риансы. Заметьте, что пропорция различающихся сайтов, d , всегда мень-
ше, чем Каа, так как Каа скорректирована для множественных изменений в сайте. Скорость замен в аминокислотном сайте за год равна:
Ка= (9.3с)
где Т - число лет со времени дивергенции (расхождения) двух видов от их общего предка. В примере 9.2 рассчитана скорость аминокислотных замен в последовательностях молекул гемоглобина, и представлены некоторые более ранние данные, иллюстрирующие молекулярные часы.
Пример 9.2. Аминокислотные последовательности в молекулах белков ряда организмов сравнивали вскоре после появления концепции молекулярных часов. Были секвенированы последовательности «-цепей молекул гемоглобина. У человека и карпа эти последовательности различались по 68 из 140 сайтов, d = 68/140 = 0,486. Таким образом, К = 0,665 ± ± 0,082, и поскольку время дивергенции человека и карпа около 450 миллионов лет (Kumar, Hedges, 1998), kaa = 7,4 х 10 ч.
Рисунок 9.2. Количество аминокислотных замен для трех белков, имеющих разные скорости замещений. На горизонтальной оси отмечено время от момента дивергенции между различными организмами в миллионах лет (по Dickerson, 1971).
Дикерсон (Dickerson, 1971) сравнил аминокислотные последовательности в молекулах фибринопептидов, гемоглобина и цитохрома с у организмов, которые дивергировали в разное время (рисунок 9.2). Для молекул одинаковых организмов скорость аминокислотных замен (калибровка молекулярных часов) высока для фибринопептидов, средняя - для гемоглобина и низкая - для цитохрома с. Кимура (Kimura, 1979) оценил скорости аминокислотных замен, каа, как равные 9,Ох 10 9, 1,4x10 9 и 0,3x10 9 для фибринопептидов, гемоглобина и цитохрома с, соответственно. Хотя для каждого типа молекул скорости сильно различаются, по-видимому, существует одинаковая исходная скорость аминокислотных замен. Дикерсон (Dickerson, 1971) считает, что различия между молекулами обусловлены различной ролью трехмерной структуры этих молекул. Например, гистон IV, у которого очень низкая величина каа = 0,006x10 9, тесно контактирует с молекулой ДНК, так что почти вся аминокислотная по-сле-довательность является критической для функционирования его молекулы в трехмерной структуре. С другой стороны, для связывания фибринопептида важна лишь малая часть молекулы.
