Почти нейтральная теория молекулярной эволюции - Nearly neutral theory of molecular evolution

В почти нейтральная теория молекулярной эволюции это модификация нейтральная теория молекулярной эволюции это объясняет тот факт, что не все мутации либо настолько вредны, что их можно игнорировать, либо нейтральны. Слегка вредные мутации надежно удаляются только тогда, когда их коэффициент отбора больше единицы, деленной на эффективная численность населения. В более крупных популяциях более высокая доля мутаций превышает этот порог, для которого генетический дрейф не может преодолеть выбор, что приводит к меньшему количеству фиксация события и, следовательно, более медленная молекулярная эволюция.

Почти нейтральная теория была предложена Томоко Охта в 1973 г.^[1] Порог для удаления мутаций, зависящий от размера популяции, был назван «барьером дрейфа». Майкл Линч, и используется для объяснения различий в геномной архитектуре между видами.

Истоки почти нейтральной теории

Согласно нейтральной теории молекулярной эволюции, скорость, с которой накапливаются молекулярные изменения между видами, должна быть равна скорости нейтральных мутаций и, следовательно, относительно постоянна для разных видов. Однако это скорость на поколение. Поскольку у более крупных организмов больше времена поколения, нейтральная теория предсказывает, что скорость их молекулярной эволюции должна быть ниже. Однако молекулярные эволюционисты обнаружили, что скорость эволюции белка практически не зависит от времени генерации.

Отметив, что размер популяции обычно обратно пропорционален времени генерации, Томоко Охта предположил, что если большинство аминокислота замены немного вредны, это увеличит скорость эффективно нейтральных мутаций в небольших популяциях, что может компенсировать эффект длительного времени генерации. Однако, поскольку некодирующая ДНК замены имеют тенденцию быть более нейтральными, не зависящими от размера популяции, скорость их эволюции, как правильно предсказано, зависит от размера популяции / времени генерации, в отличие от скорости несинонимичных изменений.^[2]

В этом случае более высокая скорость нейтральной эволюции белков, ожидаемая в небольших популяциях (из-за более мягкого порога удаления вредных мутаций), компенсируется более длительным временем генерации (и наоборот), но в больших популяциях с коротким временем генерации некодирующие ДНК эволюционирует быстрее, в то время как эволюция белков задерживается отбором (что более важно, чем дрейф для больших популяций)^[2] В 1973 году Охта опубликовал короткое письмо в Природа^[1] предполагая, что широкий спектр молекулярных данных подтвердил теорию о том, что большинство мутаций на молекулярном уровне являются скорее слегка вредными, чем строго нейтральными.

Между тем и началом 1990-х годов во многих исследованиях молекулярной эволюции использовалась «модель сдвига», в которой отрицательное влияние на приспособленность популяции из-за вредных мутаций возвращается к исходному значению, когда мутация достигает фиксации. В начале 1990-х Охта разработал «фиксированную модель», которая включала как полезные, так и вредные мутации, так что не требовалось никакого искусственного «сдвига» общей приспособленности популяции.^[2] Однако, по словам Охта, почти нейтральная теория в значительной степени потеряла популярность в конце 1980-х, потому что математически более простая нейтральная теория для широко распространенных молекулярная систематика исследования, которые процветали после появления быстрых Секвенирование ДНК. По мере того, как в 1990-х годах в более подробных систематических исследованиях начали сравнивать эволюцию участков генома, подверженных сильному отбору, с более слабым отбором, почти нейтральная теория и взаимодействие между отбором и дрейфом снова стали важным направлением исследований.^[3]

Теория

Вероятность фиксации сильно зависит от s для вредных мутаций (обратите внимание на логарифмическую шкалу по оси y) по сравнению с нейтральным случаем s = 0. Пунктирными линиями показана вероятность фиксации мутации с s = -1 / N. Обратите внимание, что в больших популяциях встречаются более вредные мутации (не показаны).

Вероятность фиксации полезных мутаций довольно нечувствительна к N. Обратите внимание, что более крупные популяции имеют более полезные мутации (не показаны).

Скорость замещения, ${ displaystyle rho}$ является

{ displaystyle rho = ugN_ {e} { bar {P}} _ {исправить}}

,

куда ${ displaystyle u}$ скорость мутации, ${ displaystyle g}$ время поколения, и ${ displaystyle N_ {e}}$ - эффективный размер популяции. Последний член - это вероятность того, что новая мутация станет фиксированный. Ранние модели предполагали, что ${ displaystyle u}$ постоянна между видами, и это ${ displaystyle g}$ увеличивается с ${ displaystyle N_ {e}}$ . Уравнение Кимуры для вероятности фиксации в гаплоидной популяции дает:

{ displaystyle P_ {fix} = { frac {1-e ^ {- s}} {1-e ^ {- sN_ {e}}}}}

,

куда ${ displaystyle s}$ это коэффициент отбора мутации. Когда ${ displaystyle | s | ll { frac {1} {N_ {e}}}}$ (полностью нейтральный), ${ displaystyle P_ {fix} = { frac {1} {N_ {e}}}}$ , и когда ${ displaystyle -s gg { frac {1} {N_ {e}}}}$ (крайне вредно), ${ displaystyle P_ {fix}}$ убывает почти экспоненциально с ${ displaystyle N_ {e}}$ . Мутации с ${ displaystyle -s simeq { frac {1} {N_ {e}}}}$ называются почти нейтральными мутациями. Эти мутации можно исправить в небольших- ${ displaystyle N_ {e}}$ населения через генетический дрейф. В целом ${ displaystyle N_ {e}}$ популяции, эти мутации очищаются отбором. Если распространены почти нейтральные мутации, то пропорция, для которой ${ displaystyle P_ {fix} ll { frac {1} {N_ {e}}}}$ зависит от ${ displaystyle N_ {e}}$

Эффект почти нейтральных мутаций может зависеть от колебаний ${ displaystyle s}$ . Ранние работы использовали «сменную модель», в которой ${ displaystyle s}$ может варьироваться между поколениями, но после фиксации средняя приспособленность популяции сбрасывается до нуля. Это в основном предполагает распределение ${ displaystyle s}$ является константой (в этом смысле аргумент в предыдущих параграфах можно рассматривать как основанный на «модели сдвига»). Это предположение может привести к неопределенному улучшению или ухудшению функции белка. В качестве альтернативы, более поздняя «фиксированная модель»^[4] фиксирует распределение влияния мутаций на функцию белка, но позволяет средний фитнес населения развиваться. Это позволяет распределять ${ displaystyle s}$ изменяться со средней приспособленностью населения.

«Фиксированная модель» дает несколько иное объяснение скорости эволюции белка. В целом ${ displaystyle N_ {e}}$ В популяциях полезные мутации быстро выбираются путем отбора, повышая среднюю приспособленность популяции. В ответ частота мутаций почти нейтральных мутаций снижается, поскольку эти мутации ограничены хвостом распределения коэффициентов отбора.

«Фиксированная модель» расширяет почти нейтральную теорию. Тачида^[5] классифицированная эволюция в рамках «фиксированной модели» на основе продукта ${ displaystyle N_ {e}}$ и дисперсия в распределении ${ displaystyle s}$ : большой продукт соответствует адаптивной эволюции, промежуточный продукт соответствует почти нейтральной эволюции, а маленький продукт соответствует почти нейтральной эволюции. Согласно этой классификации, слегка выгодные мутации могут способствовать почти нейтральной эволюции.

Теория "барьера дрейфа"

Майкл Линч предположил, что вариации в способности удалять слегка вредные мутации (т.е. вариации в ${ displaystyle N_ {e}}$ ) может объяснить различия в геномной архитектуре между видами, например размер генома или частота мутаций.^[6] В частности, более крупные популяции будут иметь более низкую частоту мутаций, более оптимизированную геномную архитектуру и, как правило, более точно настроенные адаптации. Однако, если устойчивость к последствиям каждой возможной ошибки в таких процессах, как транскрипция и перевод, существенно снижает стоимость совершения таких ошибок, более крупные популяции могут развиваться с более низкими темпами глобальных ошибок. корректура, и, следовательно, имеют более высокий уровень ошибок.^[7] Это может объяснить, почему кишечная палочка имеет более высокий уровень ошибок транскрипции, чем Saccharomyces cerevisiae.^[8]^[9] Это подтверждается тем фактом, что частота ошибок транскрипции в Кишечная палочка зависят от обилия белка (который отвечает за модуляцию силы отбора, специфичной для локуса), но делают это только при высокой частоте ошибок C к U дезаминирование ошибки в С. cerevisiae.^[10]

Смотрите также

История молекулярной эволюции

внешняя ссылка

Почти нейтральная теория молекулярной эволюции - Перспективы молекулярной эволюции

[Ohta_1973-1] а ^б Охта Т (ноябрь 1973 г.). «Слегка вредные мутантные замены в эволюции». Природа. 246 (5428): 96–8. Дои:10.1038 / 246096a0. PMID 4585855.

[Ohta_1996-2] а ^б ^c Охта Т., Гиллеспи Дж. Х (апрель 1996 г.). «Развитие нейтральных и почти нейтральных теорий». Теоретическая популяционная биология. 49 (2): 128–42. CiteSeerX 10.1.1.332.2080. Дои:10.1006 / тпби.1996.0007. PMID 8813019.

[pmid8779656-3] Охта Т (август 1996 г.). «Текущее значение и положение нейтральных и нейтральных теорий». BioEssays. 18 (8): 673–7, обсуждение 683. Дои:10.1002 / bies.950180811. PMID 8779656.

[4] Охта Т., Тачида Х (сентябрь 1990 г.). «Теоретическое исследование почти нейтральности. I. Гетерозиготность и скорость мутантных замен». Генетика. 126 (1): 219–29. ЧВК 1204126. PMID 2227381.

[5] Тачида Х (май 1991 г.). «Исследование модели почти нейтральной мутации в конечных популяциях». Генетика. 128 (1): 183–92. ЧВК 1204447. PMID 2060776.

[6] Линч М. (2007). Истоки архитектуры генома. Сандерленд: Sinauer Associates.

[7] Rajon, E .; Масел, Дж. (3 января 2011 г.). «Эволюция показателей молекулярных ошибок и последствия для эволюционируемости». Труды Национальной академии наук. 108 (3): 1082–1087. Bibcode:2011PNAS..108.1082R. Дои:10.1073 / pnas.1012918108. ЧВК 3024668. PMID 21199946.

[8] «Коррекция Траверса и Охмана, сохраненные показатели и модели ошибок транскрипции в разных состояниях роста и образе жизни бактерий». Труды Национальной академии наук. 113 (29): E4257 – E4258. 19 июля 2016 г. Дои:10.1073 / pnas.1609677113. ЧВК 4961203. PMID 27402746.

[9] Сюн, Кун; Макинти, Джей П .; Порфирио, Дэвид Дж .; Масел, Джоанна (январь 2017 г.). «Дрейфующие барьеры на пути к контролю качества, когда гены экспрессируются на разных уровнях». Генетика. 205 (1): 397–407. Дои:10.1534 / генетика.116.192567. ЧВК 5223517. PMID 27838629.

[10] Меер, К. М.; Нельсон, П. Дж .; Xiong, K; Masel, J (16 декабря 2019 г.). «Высокий уровень ошибок транскрипции зависит от уровня экспрессии генов». Геномная биология и эволюция. 12: 3754–3761. Дои:10.1093 / gbe / evz275. ЧВК 6988749. PMID 31841128.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]