Ceas molecular

Evoluţie

Mecanisme și procese

Adaptare Deviere genetică Solduri punctuate Fluxul de gene Mutaţie Radiații adaptive Selecție artificială Selecția ecologică Selecție naturală Selecția sexuală Speciație

Istoria evoluției

Istoria gândirii evolutive Lamarckism Charles Darwin Originea speciei Neodarwinismul Saltationism Anti-evoluționism

Domenii ale biologiei evolutive

Biologie evolutivă a dezvoltării Cladistică Evoluția vieții Evoluția moleculară Vertebrate Evolution Evoluția dinozaurilor Evoluția insectelor Evoluția păsărilor Evoluția mamiferelor Evoluția cetaceelor Evoluția primatelor Evolutia umana Filogenetica Genetica populației Genetica ecologică Medicina evolutivă Genomica conservării

Portalul de biologie · V · D · M

Ceasul molecular este o tehnica folosita in evolutia moleculara pentru a estima timpul scurs de la separarea dintre cele două specii , începând cu studiul diferențelor existente în ADN - ul sau în aminoacizi secvențe ale unor proteine .

Această tehnică se bazează pe ipoteza că mutațiile aleatorii, cu care evoluează genele , apar cu frecvențe care sunt aproape constante în timp. Considerând valabilă această ipoteză, devine posibil să se estimeze timpul scurs de la momentul în care s-a produs divergența dintre două specii descendente din același strămoș comun , pur și simplu prin evaluarea numărului de diferențe prezente în secvențele de ADN înrudite sau în proteinele corespunzătoare.

fundal

Conceptul de ceas molecular a fost introdus în 1962 de Emile Zuckerkandl și Linus Pauling , care au remarcat că diferențele în compoziția aminoacizilor din hemoglobina unor specii de animale au fost aproximativ proporționale cu timpul de divergență al speciei calculat pe datele fosile . ^[1] Au generalizat aceste observații afirmând că frecvența modificărilor evolutive ale unei proteine date a fost aproximativ constantă în timp și la diferite specii.

Fenomenul „echidistanței genice” a fost observat în schimb pentru prima dată de Emanuel Margoliash ^[2] în 1963; el a scris: „Se pare că numărul diferențelor reziduale dintre citocromul c al oricărei două specii este în mare parte condiționat de timpul scurs de la liniile evolutive care conduc la aceste două specii inițial separate. Dacă acest lucru este corect, citocromul c al tuturor mamiferelor ar trebui să fie la fel de diferit de cel al tuturor păsărilor. Deoarece peștii diferă de rădăcina principală a evoluției vertebratelor înainte de păsări și mamifere, citocromul c al acestora din urmă ar trebui să fie la fel de diferit de cel al peștilor. În mod similar, citocromul c al tuturor vertebratelor ar trebui să difere în mod egal de proteina drojdiei. " De exemplu, diferența dintre citocromul c al unui crap, al unei broaște, al unei broaște țestoase. o puiul, iepurele și calul sunt în jur de 13% -14%; în mod similar, diferența dintre citocromul c al unei bacterii și drojdie, grâu, molie, ton, porumbel și cal variază între 64% și 69%. Împreună cu lucrările lui Emile Zuckerkandl și Linus Pauling, dovezile echidistanței genice au condus direct la formalizarea ipotezei ceasului molecular la începutul anilor 1960. ^[3]

Legături cu teoria neutralității

Observarea unei rate de schimbare moleculară asemănătoare ceasului a fost la început pur fenomenologică. Mai târziu, opera lui Mooto Kimura a dezvoltat „teoria evoluției moleculare neutre”, care a prezis existența unui ceas molecular. Având în vedere N indivizi, pentru a menține calculul simplu, „haploid” (de exemplu, posedând o singură copie a fiecărei gene) și având în vedere că rata „mutațiilor neutre” (de exemplu, mutațiile care nu au efect asupra fitnessului) la un individ nou este µ ; probabilitatea ca o nouă mutație să fie „fixată” în populație este, prin urmare, 1 / N, deoarece fiecare copie a genei este echivalentă. La fiecare generație, fiecare individ poate prezenta noi mutații, deci vor exista µN noi mutații neutre în populație ca întreg. Aceasta înseamnă că, cu fiecare generație, µ noi mutații neutre vor intra în fixare. Dacă majoritatea schimbărilor observate în timpul evoluției moleculare sunt neutre, atunci „fixațiile” se vor acumula în populație la o rată de ceas egală cu cea a mutațiilor neutre la un singur individ.

Calibrare

În sine, ceasul molecular poate fi doar informativ asupra faptului că o anumită perioadă de timp este de două ori mai lungă decât alta; nu poate stabili date reale. În filogenia virală și în studiile ADN antice - două domenii ale biologiei evolutive în care este posibil să se probeze secvențe pe o scară evolutivă - datele secvențelor intermediare pot fi utilizate pentru a calibra mai precis ceasul molecular. Cu toate acestea, majoritatea studiilor filogenetice necesită calibrarea ceasului molecular pe date independente de dată, cum ar fi o înregistrare fosilă. ^[4] Există, în general, două metode de calibrare a ceasului folosind date fosile: calibrarea nodurilor și calibrarea vârfurilor. ^[5]

Calibrarea nodului

Calibrarea nodurilor, raportată și ca datare a nodurilor, este o metodă de calibrare filogenetică efectuată prin plasarea constrângerilor fosile pe noduri. Un nod de calibrare a fosilelor este format din cel mai vechi reprezentant cunoscut al unei clade date, folosit pentru a constrânge vârsta sa minimă. Datorită naturii fragmentate a înregistrărilor fosile, cel mai recent adevărat strămoș comun al unei clade este probabil să nu fie găsit niciodată. Pentru a aborda această problemă în analizele de calibrare a nodului, trebuie estimată vârsta maximă a cladei: acest lucru este dificil, deoarece se bazează pe „dovezi negative”, cum ar fi absența fosilelor mai vechi în acea cladă. Există o serie de strategii pentru determinarea vârstei maxime a cladei, folosind modele naștere-moarte, analize de distribuție stratigrafică a fosilelor sau controale tahonomice. Odată ce vârsta minimă și maximă a cladei a fost estimată, „probabilitatea a priori” a timpului de divergență este stabilită pe baza vârstei estimate în nodul dat și utilizată pentru calibrarea ceasului. Există diferite distribuții pentru probabilitatea a priori (normală, log-normală, exponențială, gamma, uniformă etc.) care pot fi utilizate pentru a exprima probabilitatea momentului real de divergență în raport cu vârsta fosilei. Amplasarea nodurilor constrânși de fosile în copac explică cea a nodurilor libere, oferind estimări ale datelor de divergență de-a lungul filogeniei. Primele metode de calibrare a ceasului s-ar putea baza pe o singură constrângere fosilă (rata parametrizării non-parametrice) ^[6] , în timp ce metodele moderne de analiză (BEAST și r8s) ^[7] permit utilizarea mai multor fosile pentru calibrarea ceasului: simulări a făcut posibil să se observe cum, prin creșterea numărului de constrângeri fosile în analizele BEAST, crește precizia în estimarea timpului de divergență.

Calibrare finală ^[8]

Calibrarea finală, cunoscută și sub numele de datare finală, este o metodă de calibrare a ceasului molecular în care fosilele sunt tratate ca taxoni și plasate pe capetele arborelui. Acest lucru se realizează prin construirea unei matrice care conține un set de date molecular pentru taxoni vii, împreună cu un al doilea set de date morfologic pentru taxoni (atât dispariți, cât și vii). Spre deosebire de calibrarea nodurilor, această metodă reconstruiește topologia arborelui și plasează fosilele în același timp; modelele moleculare și morfologice funcționează concertate simultan, permițând morfologiei să ofere informații despre poziționarea fosilelor. Calibrarea extremităților, la reglarea ceasului, folosește toți taxonii fosili relevanți, mai degrabă decât să se bazeze doar pe cei mai vechi pentru fiecare cladă; metoda nu se bazează, de asemenea, pe interpretarea dovezilor negative pentru a deduce vârstele maxime în clade.

Sursele de eroare în estimarea temporală a scării evolutive, utilizând calibrarea extremităților, pot fi:

• date incorecte în timpul calibrării;
• erori în parametrii modelelor demografice, de substituție sau de ceas molecular.

Rata variabilă a ceasului molecular

Uneori, numai o singură dată de divergență poate fi estimată din fosile, în timp ce toate celelalte date pot fi deduse din aceasta. Rămășițe fosile abundente sunt disponibile pentru alte grupuri de specii, permițându-ne să testăm ipoteza ceasului molecular al ratelor constante de divergență. Secvențele de ADN care sunt supuse unor niveluri scăzute de selecție negativă prezintă rate de divergență de 0,7-0,8% pe milion de ani la bacterii, mamifere, nevertebrate și plante. În același studiu, regiunile genomului care fac obiectul unei selecții foarte mari negative (sau purificatoare) (ARNc de codificare) au rate de divergență considerabil mai lente (1% timp de 50 de milioane de ani). În plus față de această variație a ratei de divergență în funcție de poziția din genom, de la începutul anilor 1990, variația dintre taxoni s-a dovedit a fi un teren fertil pentru cercetare, chiar și la un nivel comparativ pe perioade scurte de timp evolutiv. Procelariiformele au ceasuri moleculare care rulează în medie la o viteză care este jumătate din cea a multor alte păsări ^[9] , probabil acest lucru se datorează timpilor lungi de generație, în plus, multe broaște țestoase au un ceas molecular care rulează aproximativ o optime viteză la mamiferele mici, uneori chiar mai încet. ^[10] Chiar și efectele populațiilor mici confundă cu ușurință analizele ceasului molecular. Cercetători precum Francisco Ayala au pus sub semnul întrebării ipoteza ceasului molecular. ^[11] Conform studiului lui Ayala din 1999, cinci factori combinați împreună limitează aplicarea modelelor de ceas molecular:

• timpi variabili de generație (dacă rata mutației depinde cel puțin parțial de numărul de generații, mai degrabă decât de numărul de ani);
• dimensiunea populației (derivația genetică este mai puternică la populațiile mici, ceea ce face imprevizibilă fixarea mutației sau ratele de pierdere);
• diferențe specifice speciilor (datorită metabolismului diferit, ecologiei, istoriei evoluției etc.);
• schimbarea funcției proteinei studiate (poate fi evitată la speciile strâns legate prin utilizarea secvențelor de ADN necodificatoare sau prin accentuarea mutațiilor silențioase);
• modificări ale intensității selecției naturale.

Utilizatorii de ceasuri moleculare au dezvoltat soluții alternative utilizând o serie de abordări statistice, inclusiv tehnici de maximă probabilitate și modelare Bayesiană ulterioară. În special, au fost propuse modele care iau în considerare rata de schimbare între liniile filetice pentru a obține estimări mai bune ale timpilor de divergență. Aceste modele sunt numite ceasuri moleculare relaxate ^[12] deoarece reprezintă o poziție intermediară între ipoteza „rigidă” a ceasului molecular și modelele Felsenstein de mare rată ^[13] și a fost posibil să se utilizeze astfel de modele datorită tehnicilor MCMC care explorează o varietate ponderată de topologii de arbori și estimează simultan parametrii modelului de substituție ales. Trebuie amintit că datele de divergență deduse folosind ceasul molecular se bazează pe inferență statistică și nu pe dovezi directe. Ceasul molecular se confruntă cu provocări deosebite la scări de timp foarte scurte și foarte lungi. La scări lungi, problema este saturația: dacă a trecut suficient timp, multe site-uri au suferit mai multe mutații, dar este imposibil să se detecteze succesiunea modificărilor care au avut loc în genom; aceasta înseamnă că numărul observat de modificări nu mai crește liniar în timp, ci se aplatizează. La scări de timp foarte scurte, multe diferențe între eșantioane nu reprezintă fixarea diferitelor secvențe în diferite populații; dimpotrivă, ele reprezintă alele alternative care au fost prezente atât ca parte a polimorfismului în strămoșul comun. Includerea diferențelor care nu au fost încă fixate duce la o inflație potențial marcată a ratei aparente a ceasului molecular la scări de timp foarte scurte. ^[14]

Metode

Metodele bayesiene pot oferi estimări mai adecvate ale timpilor de divergență, în special atunci când se utilizează seturi de date mari, cum ar fi cele furnizate de filogenomică. Unul dintre software-urile utilizate în inferența bayesiană și analiza ceasului molecular este BEAST - acronim pentru "Bayesian Evolutionary Analysis Sampling Trees" ^[15] - care este propus ca cadru general pentru estimarea parametrilor și testarea ipotezelor în modele evolutive, pornind de la datele secvenței moleculare. . Algoritmul care stă la baza BEAST este Metropolis-Hastings Markov Monte Carlo Chain ( MCMC ), un algoritm stocastic care returnează estimări, pe baza eșantionului, pentru distribuția aleasă a interesului; particularitatea software-ului este concentrarea sa puternică asupra genealogiilor și filogeniilor calibrate, adică a copacilor înrădăcinați care încorporează o scară de timp. Acest lucru se realizează prin modelarea ratei de evoluție moleculară pe fiecare ramură a copacului; rata poate fi, în cel mai simplu caz, uniformă pentru întregul copac și deja cunoscută sau estimată; dar odată cu avansarea filogeniei moleculare și introducerea modelelor de ceas molecular relaxat ^[12] , care nu prezic o rată constantă între diferitele linii, BEAST a fost propus mai întâi ca un software care permite inferența arborilor filogenetici eficienți folosind aceste modele.

În BEAST, condițiile de informații a priori pot fi plasate pe toți parametrii (de exemplu, o distribuție exponențială a priori cu o medie pre-specificată poate fi atribuită vârstei rădăcinii arborelui):

• model de înlocuire;
• model de tarif inter-site;
• modelul ratei dintre ramuri;
• relații în interiorul copacului;
• distribuția înălțimii nodului (temporală) și topologia.

Programul primește ca intrare fișiere XML care descriu secvențele de analizat, modelele, operatorii și diferiții parametri pentru ieșire (fișiere text care rezumă distribuția a posteriori estimată pentru valorile parametrice și arborii); există alte programe pentru a ajuta utilizatorul să pregătească fișierele de intrare și să analizeze rezultatele:

• BEAUti : pachet software Java distribuit cu BEAST care vă permite să generați fișiere de intrare XML printr-o interfață grafică de utilizator;
• Urmăritor : pachet software Java distribuit separat de BEAST, care oferă un instrument grafic pentru analiza ieșirilor MCMC (prin urmare, valabil și pentru alte pachete software obișnuite, cum ar fi MrBayes).

Utilizare

Tehnica ceasului molecular este un instrument important în filogenia moleculară, utilizând informații din genetică moleculară pentru a determina o clasificare științifică corectă a organismelor sau pentru a studia diferențele de forțe selective. Cunoașterea ratelor aproape constante de evoluție moleculară în grupuri specifice de descendenți facilitează recunoașterea momentului evenimentelor filogenetice, inclusiv a celor care nu sunt susținute de fosile, cum ar fi divergența dintre taxonii vii și în construcția arborelui filogenetic. În aceste cazuri (adică în cazul în care dovezile fosile sunt rare sau absente), eroarea în estimările timpilor evolutivi poate crește chiar mai mult de 50%, mai ales având în vedere perioade lungi de timp.

Notă

Bibliografie

• Richard Dawkins , Epilogul Povestii Onicoforului , în Povestea strămoșului . Marea istorie a evoluției , Milano, Mondadori, 2006, pp. 408-415, ISBN 88-04-56000-2 .
• Drummond A., Rambaut A.; BEAST / .

Elemente conexe

• Evoluția moleculară
• Eva mitocondrială
• Teoria neutră a evoluției

linkuri externe

• Allegrucci G. Ceasul molecular
• (EN) Allan Wilson și ceasul molecular pe awcmee.massey.ac.nz. Adus la 4 ianuarie 2009 (arhivat din original la 25 mai 2010) .
• (EN) Explicație moleculară a fenomenului de echidistanță a ceasului molecular , a rtis.com.