Молекулярная эволюция: "молекулярные часы", теория нейтральности и рибосомальная РНК

Молекулярные часы: в гомологичных белках разных организмов количество различий в аминокислотах пропорционально времени их расхождения от общего предка. Зная количество различий по аминокислотам, можно вычислить время возникновения таксона. Этот же принцип справедлив и для различий по генам нуклеиновых кислот.

Рис. 1.  Филогенетические связи между 8 группами позвоночных животных (верхняя схема) и различия по числу аминокислотных замен (Каа) у тех же видов (нижний график) по α-цепям гемоглобинов (черные точки) и β-цепям (светлые точки). Из Кимура, 1985) i

Концепция "молекулярных часов" была выдвинута Цукеркандлом и Полингом в 1965 г. "Давней мечтой специалистов по генетике популяций было определение скорости замещения генов в процессе эволюции видов. Эта величина должна более однозначно характеризовать темпы эволюции, чем любая другая мера скорости, основан-ная на сравнении фенотипов" (Кимура, 1985). Экспериментальные данные по-казывают, что замены аминокислот в белке происходят более-менее регуляр-но,  хотя для каждого конкретного типа белка характерны свои темпы эволюции: например, вероятность замены произвольной аминокислоты в α-цепи гемоглобина - 1,2·10^-9  в год, а в инсулине - 0,44·10^-9 в год. Поскольку (на первый взгляд) аминокислотные замены происходят регулярно, как взмахи маятника, постольку они могут быть использованы для отсчета времени эволюции. Первые проверки этой гипотезы дали неплохие результаты (см. рис. 1), которые подтверждали концепцию молекулярных часов, но еще не имели никакой ценности для эволюционистов - перед нами грубая оценка времени расхождения таксонов, которое более точно определяется палеонтологическими методами. Однако в тех случаях, когда ископаемых остатков интересующих нас организмов нет, молекулярные часы являются единственным источником данных о родстве таксонов и времени их расхождения.

Рис. 2. Аддитивное дерево, построенное по различиям в транспортных РНК. Из  Омельянчук, Колчанов, 1987.

На следующем рисунке - построение филогенетического дерева по различиям в нуклеотидных последовательностях тРНК. Дерево, построенное с помощью приме-нения довольно сложного математичес-кого аппарата теории графов, аддитивно ("суммативно"): каждая ветвь (ребро графа) определяется числом нуклеотид-ных замен, и число замен между двумя точками на дереве равно сумме замен вветвях, соединяющих эти точки. Напри-мер, количество различий (нуклеотидных замен) между тРНК эубактерии и хлоропласта равно 125 + 121 = 246, поскольку точки "эубактерия" и "хлоропласт" соединены двумя ветвями - 125 и 121 замен, соответствено (см. рис. 2). Обратите внимание на следующие особенности дерева:

- подтверждение теории молекулярных часов: в сестринских ветвях "эубактерия" - "хлоропласт" и "архебактерия" - "эукариот" количество нуклеотидных замен приблизительно равно;

- локальное нарушение теории молекулярных часов: количество замен в митохондрии много больше (309), чем в сестринской ветви (в ветвлении  “общий с митохондрией предок”- эубактерии   замен 125+131=256 и “общий с митохондрией предок”- хлоропласты 121+131=252). Известно, что практически все гены в митохондриях мутируют значительно чаще,  чем ядерные гены и гены прокариот. Известно также, что молекулярная эволюция у симбионтов и паразитов зачастую идет гораздо быстрее, чем у свободноживущих организмов.

Как определялось время расхождения таксонов? Зная время расхождения однодольных и двудольных растений (125 млн. лет) и время расхождения хордовых и ближайших к ним беспозвоночных (около 680 млн. лет) и количество различий в тРНК между членами этих пар, рассчитывалась скорость замен в тРНК хлоропластов и тРНК эукариот. Предполагая близкую скорость молекулярной эволюции у их предков, авторы рассматриваемой работы определяют время для каждой точки ветвления.

Наряду с признаками, подверженными естественному отбору, можно выявить признаки, изменение которых не влияет на приспособленность организмов - нейтральные признаки. Именно нейтральные замены в молекулах определяют правильный ход "молекулярных часов".

Кимура провел тщательный математический анализ закрепления нейтральных мутаций и доказал, что на скорость изменения нейтральных признаков не влияет ни размер популяций, ни частота смены поколений и что она выражается удивительно простой формулой:

k=v,

где k, - скорость эволюции, выраженная через число мутационных замен, а v  - скорость мутирования на гамету в поколение. Однако эта закономерность резко меняется в случае отбора.

Истинно нейтральные мутации определить трудно. Нейтральные замены лучше искать в нуклеиновых кислотах. Более подробный анализ показал, что аминокислотные замены в белках далеко не равнозначны. Разумеется, речь не идет об активном центре фермента - здесь любая замена резко влияет на приспособленность организма. Однако замены в периферической части молекулы влияют на ее трехмерную конфигурацию. Некоторые амнокислотные радикалы притягиваются друг к другу, а некоторые - отталкиваются; размеры соседних аминокислот влияют на распределение водородных связей и т.д. Некоторые мутации вообще не сказываются на строении белка: многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами и возникновение "синонимичных замен" в ДНК при анализе белка выявить невозможно. Технически проще и надежнее сосредоточиться именно на анализе "точковых мутаций" нуклеиновых кислот. Однако и на этом уровне возникают сложности: замена пурина на пурин более нейтральна, чем замена пурина на пиримидин; замена нуклеотида в третьей позиции триплета чаще всего оказывается синонимичной (считывается та же аминокислота), а замена первого нуклеотида меняет аминокислоту. Однако здесь легче ввести компенсационные поправки (различные, но фиксрованные "веса" замен), чем при анализе замен аминокислот.

Рибосомная РНК есть у всех организмов. Она изменяется исключительно медленно. рРНК полностью или частично расшифрована у многих тысяч организмов, такой полноты данных нет ни по какой иной молекуле. В настоящее время молекулярная эволюция оценивается в основном по рРНК. Каждая рибосома содержит 3 или 4 молекулы РНК  и белки - несколько десятков (у эукариот белков больше, чем у прокариот). Рибосомная РНК прокариот и эукариот различна (см. табл. #.) Помимо того, что она состоит из неодинакового числа молекул, кодирующие эти молекулы участки ДНКу прокариот и эукариот организованы тоже неодинаково.

Таблица 1. Приблизительные характеристики рРНК прокариот и эукариот.

Тонкая структура рибосом выявлена у очень немногих видов. Рибосомы эукариот приблизительно в полтора раза тяжелее рибосом прокариот. Простейший способ определения веса органелл - осаждение в ультрацентрифуге с расчетом единиц Сведберга S. Коэффициент седиментации (осаждения) у рибосом эукариот - 80S, у прокариот - 70S; обычно они так и называются 80S- и 70S-рибосомы. Обнаружение  70S-рибосом у парабазалий и микроспоридий - эукариот, первично (?) лишенных митохондрий, - одно из самых значимых открытий в современной зоологии.

Расшифровка нуклеотидных последовательностей рРНК началась еще в 70-х годах с простейшей молекулы 5S рРНК и почти сразу привела к результату огромной важности - обнаружению Вёзе и его сотрудниками фундаментальных различий между двумя группами бактерий, которые впоследствии получили ранг царств - бактерий и архебактерий. Анализ 5S рРНК послужил основой создания современной систематики бактерий и эубактерий, однако он оказался малоинформативным при исследовании эукариот; более того, данные, полученные при анализе 18S рРНК во многом противоречили схемам, основанным на анализе 5S рРНК. Крупная молекула 18S рРНК полностью расшифрована у немногих ороганизмов, в большинстве случаев родство таксонов 18S рРНК эукариот (или его отсутствие) определяется по фрагментам 18S рРНК.

Однако и на этом уровне трудно определить чисто нейтральные замены. Молекулы рРНК имеют сложную трехмерную структуру и во многих точках связаны с белками (18S рРНК, например, - не менее чем с 40 белками); в них выявлены сверхизменчивые и очень консервативные участки. Кроме того, выпадения, перевороты, вставки сравнительно крупных участков анализируются уже не как показатели хода молекулярных часов, а с использованием приблизительно того же логического аппарата классической кладистики, который морфологи используют при выпадении или вставке нескольких позвонков или замене функции кости.