Темп нуклеотидных замен: кодирующие последовательности.

Темпы замен сильно различаются у разных генов. Так гистоны 3 и 4 демонстрируют практически нулевой темп, а для интерферона темп составляет 2.79*10^-9замен на синонимичный сайт в год.

В таблице приведены темпы синонимичных и несинонимичных замен для 36 белок-кодирующих генов. Сравнивались гены человека и грызунов, время дивергенции - 80 миллионов лет назад.

Можно отметить, что темпы синонимичных замен варьируют от гена к гену значительно меньше чем темпы несинонимичных замен. И, как правило, темп синонимичных замен значительно выше чем несинонимичных.

Темпы замен для некодирующих участков как правило выше, чем для кодирующих. Данных по исследованию темпов эволюции некодирующих участков гораздо меньше, чем некодирующих. Так, темпы эволюции для некодрующих 5' и 3' участков мРНК составили в среднем 1.96*10^-9 и 2.10*10^-9 замен на сайт в год.

Темпы эволюции для четырехкратно вырожденных сайтов (сайтов в которых любая замена является синонимической) в кодирующих участках в среднем составляют 3.55*10^-9. Очень близки к этой цифре и оценки темпов эволюции псевдогенов и интронов.

Соотношение темпов эволюции различных нетранслируемых регионов представлено на рис-ке

темп нуклеотидных замен: изменчивость Темпы замен определяются двумя факторами: вероятностью мутирования и вероятноятью фиксации возникшей мутации. Вероятность фиксации, в свою очередь зависит от того какая это мутация: благоприятная, нейтральная или вредная. Ясно, что как в различных участках гена, так и в различных генах темп замен может сильно варьировать. Изменчивость темпов можно рассматривать как внутри генов так и между генами.

Темп нуклеотидных замен: изменчивость различных участков гена Различие в темпах замен для синонимичных и несинонимичных сайтов внутри одного гена может быть почти целиком отнесено за счет стабилизирующего отбора. Так как при одинаковом темпе мутирования замена вызывающая замену аминокислоты с гораздо большей вероятностью будет вредной чем благоприятной. Мутации не вызывающие замены аминокислоты (т.е.синонимические) будут фиксироваться как нейтральные.

В определенных случаях отбор может благоприятствовать аминокислотным заменам, в таком случае мы будем наблюдать увеличение темпа фиксации несинонимичных замен в противовес синонимичным. Это действительно имеет место в гипервариабельных участках иммуноглобулинов, где несинонимичные замены преобладают над синонимичными. Это небходимо для быстрого и эффективного имунного ответа. В то же время темпы несинонимичных замен по полному гену иммуноглобулина ниже чем для синонимичных. Аналогичная ситуация наблюдается в некоторых генах главного комплекса гистосовместимости.

Контраст между темпами замен для синонимичных и несинонимичных сайтов иллюстрирует один из принципов молекулярной эволюции: Чем сильнее функциональные ограничения на молекулу, тем ниже темп ее эволюции (Кимура,1985). В соответствии с этим наиболее высокий темп должны демонстрировать молекулы не имеющие определенной функции. Действительно, псевдогены ведут себя именно так.

В молекулах, состоящих из различных функциональных доменов, также может наблюдаться различные темпы эволюции в разных доменах. Хорощий пример представляет собой проинсулин. Как показано на рисунке, он сосоит трех сегментов А, В и С.

В процессе созревания пептид С вырезается. Считается, что он участвует в образовании правильной пространственной структуры зрелого инсулина. Темпы несинонимических замен в домене С значимо выше, чем в сегментах А и В.

Темп нуклеотидных замен у разных генов В случае отдельных генов нельзя считать равной для всех генов вероятность мутирования. Показано, что различные участки генома мелкопитающих могут различаться в два раза по вероятности мутирования (Wolfe et.al., 1989). Но следует заметить, что двухкратные различия не могут объяснить различия в темпах эволюции различных генов, которые иногда достигают трех порядков. Чтобы объяснить эту разницу приходится предполагать различную интенсивность отбора.

Так, например, в аполипопротеинах во множестве сайтов допускается замена одной гидрофобной аминокислоты на другую, и это объясняет высокий темп эволюции данного белка 1.0-1.5*10^-9.

С другой стороны в гистоне Н3 почти каждая позиция либо взаимодействует с ДНК либо с другими белками нуклеосомы. Это накладывает жесткие ограничения на структуру белка и темп замен для гистона Н3 практически равен 0.

Менее ясно почему от гена к гену варьирует темп синонимичных замен. Возможно это объясняется различиями в темпах мутирования в разных участках генома, а также положением конкретного гена. Например для млекопитающих известны участки генома с богатым содержанием CG пар, в которых наблюдается тенденция к поддержанию высокой концентрации CG пар. Возможно также, что не все синонимичные замены являются нейтральными. Для некоторых организмов достоверно показано предпочтение одних кодонов из серии кодирующей одну и туже аминокислоту другим.

Между темпами синонимичных и несинонимичных замен существует положительная корреляция. Возможно это объясняется сходными темпами мутирования. Возможно также, что давление отбора на синонимичные позиции определяется нуклеотидным составом прилежащих несинонимичных сайтов.

и белков. http://biomolecula.ru/content/180 Концепция молекулярных часов. Молекулярные часы (англ. molecular clock, иногда gene clock, evolutionary clock) — в молекулярной эволюции — метод датирования филогенетических событий (расхождений видов или других таксонов), основанный на гипотезе molecular clock hypothesis, согласно которой эволюционно значимые замены мономеров в нуклеиновых кислотах или аминокислот в белках происходят с практически постоянной скоростью.

Гипотеза молекулярных часов была выдвинута в 1962 году при анализе аминокислотных последовательностей гемоглобина и цитохрома С, Э. Цукеркандлем и Л. Полингом. Они отметили, что количество аминокислотных различий в гемоглобине растет линейно со временем, которое оценивалось по фоссилиям.[1] Они обобщили наблюдение и пришли к выводу, что скорость эволюционного изменения каждого белка приблизительно постоянна.

В 1963 году Эмануэлем Марголиашем (англ. Margoliash) был обнаружен феномен «genetic equidistance» (генетической эквидистантности), заключающийся в независимости эволюции аминокислотных последовательностей в белках и морфологической эволюции:^[2]

полезной проверкой важной роли времени как главного фактора в накоплении изменчивости в цитохроме C должно быть сравнение аминокислотных последовательностей гомологичных белков, выделенных из видов, о которых известно, что они на протяжении длительных периодов времени не претерпевали морфологических изменений, и из быстро изменяющихся видов

19. Использование митохондриальной ДНК в эволюционных исследованиях. Использование ДНК для построения генеалогических древ и поиска «митохондриальной Евы»,

Кроме использования при построении различных филогенетических теорий, изучение митохондриального генома — основной инструмент при проведении идентификации. Возможность идентификации связана с существующими в митохондриальном геноме человека групповыми и даже индивидуальными различиями.

Последовательность участка гена субъединицы I цитохром с-оксидазы, кодируемого в митохондриальной ДНК, широко используется в проектах, связанных с ДНК-баркодированием животных - определением принадлежности организма к тому или иному таксону на основе коротких маркеров в его ДНК[27][28]. Для баркодирования растений используется преимущественно комбинация двух маркёров в пластидной ДНК[29]. Использование ми-ДНК для построения филогенетических древ.