Молекулярная эволюция () — наука, изучающая процесс изменения последовательностей мономеров в биополимерных молекулах в живых организмах, а именно ДНК, РНК и белков. Молекулярная эволюция опирается на принципы эволюционной биологии, молекулярной биологии и популяционной генетики. Задача молекулярной эволюции состоит в объяснении закономерностей таких изменений. Молекулярная эволюция занимается механизмами накопления изменений молекулами, и механизмами закрепления этих изменений в популяциях, а также проблемами видообразования.
Связь с областями науки Молекулярная эволюция имеет тесную связь с областями науки: палеонтология (датировка эволюционных событий) генетика (принципы организации и передачи наследственной информации) молекулярная биология (строение генетических макромолекул) биофизика (механизмы функционирования генетических макромолекул) математика (построение моделей эволюции) эволюция (общие эволюционные закономерности) информатика (обработка и анализ данных) биохимия (химическая природа и превращение генетических макромолекул).
Объекты исследования Последовательности нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) как носителей генетической информации Последовательности белков Структура белков Геномы организмов
Методы анализа Выделяют следующие методы молекулярной биологии: гибридизация ДНК иммунологические тесты (используемые для определения групп крови) определение последовательности аминокислот (для гемоглобина, миоглобина, цитохрома с и т. п.) секвенирование ДНК электрофорез (для различных ферментов) биохимическая систематика (использующая разного рода вторичные метаболиты растений, животных и иных организмов)
Основные задачи Выявление закономерностей эволюции генетических макромолекул Реконструкция эволюционной истории генов и организмов
Механизмы эволюции генома Основным источником накопления изменений генетического материала являются геномные изменения. Главные механизмы эволюции генома следующие:
Мутации Основная статья: Мутации
Мутация — это стойкое изменение генома. Мутации появляются в результате ошибок репликации, воздействия радиации, мутагенных химических соединений, таких как колхицин и эпоксибензантрацен, или иных видов биологического стресса, воздействия транспозонов или вирусов. Мутации подразделяются на геномные, генные и хромосомные. Генные мутации — это изменения происходящие внутри одного отдельного гена. Хромосомные мутации затрагивают участки одной хромосомы. Геномные мутации касаются целых хромосом. Большинство мутаций происходят в виде однонуклеотидных полиморфизмов, которые представляют собой замену одного нуклеотида, что приводит к точечной мутации. Другие типы мутаций приводят к модификации больших по размеру фрагментов ДНК, и могут вызывать дупликации, делеции, инсерции, инверсии или транслокации. Для большинства организмов характерно соответствие между типом мутаций и ГЦ-составом. Транзиции (мутации, в которых пуриновое основание меняется другим пуриновым, а пиримидиновое—другим пиримидиновым) более распространены чем трансверсии (мутации при которых пурин заменяется а пиримидин и наоборот). Также малохарактерны мутации, при которых меняется аминокислота в итоговом белке-продукте трансляции. Мутагенный процесс является стохастическим. Мутации появляются случайно. Вероятность появления мутации в одной нуклеотидной сайте очень мала и составляет для разных организмов около на сайт для одного поколения.В то же время для некоторых вирусов характерна более высокая частота мутаций, вероятность появления мутации достигает . Среди всех мутаций можно выделить нейтральные и позитивные. которые не элиминируются из популяции, хотя некоторые из них могут быть элиминированы с помощью дрейфа генов. Остальные мутации являются негативными и в ходе естественного отбора элиминируются из популяции.Поскольку мутации являются чрезвычайно редким явлением, они в аккумулируются очень медленно. В то время как количество мутаций, которые появляются в одном поколении может варьировать, в течение длинных временных промежутков мутации аккумулируются на регулярной основе. Используя среднее количество мутаций за одно поколение и разницу между двумя нуклеотидными последовательностями, можно оценить время эволюции с помощью молекулярных часов.
Рекомбинация Основная статья: Рекомбинация
Рекомбинация — это процесс, который приводит обменам нуклеотидных последовательностей между хромосомами или регионами хромосом. Рекомбинация противодействует физической связи между соседними генами. В результате независимое наследование генов приводит к более эффективному отбору, что означает, что в участках с более высоким уровнем рекомбинации будет меньше вредных мутаций, больше эволюционно предпочтительных вариантов, и меньше ошибок при репликации и репарации. Рекомбинация также может генерировать определённые типы мутаций, если хромосомы не выравнены.
Мобильные элементы Основная статья: Мобильные элементы
Мобильные элементы составляют значительную часть генома и представлены транспозонами, ретротранспазонами и повторяющимися элементами. В норме активность передвижения мобильных элементов подавляется при помощи piРНК, метилрования ДНК. Однако при стрессовых ситуациях и изменении эпигенетического ландшфта клетки, мобильные элементы начинают перемещаться или копироваться в новые участки генома. Транспозоны могут влиять на структуру и функции генов и на эпигенетический контроль их экспрессии. В частности, встраивание транспозона внутрь гена может привести к сдвигу рамки считывания и его поломке. Такие нерабочие гены выходят из под пресса естественного отбора и быстро накапливают мутации, становясь псевдогенами. Часто активность ретротранспозонов приводит к дупликации генов.
Перемешивание экзонов и альтернативный сплайсинг Основная статья: Альтернативный сплайсинг
Некодирующие последовательности, которые транскрибируются вместе с геном, но в дальнейшем удаляются из первичного транскрипта, называются интронами. Интроны встречаются у всех эукариот и за редким исключением отсутствуют у прокариот. Во время процессинга РНК происходит сплайсинг, в результате которого интроны вырезаются, а оставшиеся кодирующие участки (экзоны) сшиваются в одну молекулу. При альтернативном сплайсинге не все экзоны попадают в зрелую мРНК, и с одного транскрипта может быть получено несколько различных мРНК,каждая из которых будет соответствовать собственному белку. Альтернативный сплайсинг считается очень важным шагом к повышению эволюционной гибкости эукариот, так как в случае мутаций, приводящих к образованию новых экзонов, появляется новая изоформа гена без потери изначального белка. Немаловажную роль в создании новых генных структур вкладывает перемешивание экзонов.
Псевдогены Псевдогены представляют собой ранее функционирующие гены, которые по некоторым причинам перестали экспрессироваться. Прекращение экспрессии может быть связано с мутациями в промоторной зоне, с исчезновением старт-кодона, сдвигом рамки считывания или частичной делецией гена. Псевдогенизация гена обычно происходит во время его дупликации. Иногда дуликация не затрагивает промоторную зону гена, поэтому копия с самого начала не может экспрессироваться. При полной дупликации гена одна из копий также выходит из-под эволюционного пресса и может стать псевдогеном.
Горизонтальный перенос генов Основная статья: Горизонтальный перенос генов
Горизонтальный перенос генов заключается в передачи генетический материал организму-непотомку. Такой эволюционный механизм широко распространён среди прокариот, однако встречается и у эукариотических организмов.
Для прокариот характерно наличие плазмид — небольших кольцевых ДНК, способных к автономной от клетки репликации. Размер плазмид колеблется от 1 до 600 тысяч п. о. Обмен плазмидами является важным механизмом горизонтального переноса генов у прокариот и может происходить двумя способами. Во-первых, плазмида может быть захвачена бактерей из окружающей среды без непосредственного контакта с первичным носителем плазмиды. Такой захват называется трансформацией. Трансформация широко используются в молекулярной биологии, в частности для клонирования целевых генов в прокариотическую клетку. Во-вторых, плазмида может передаваться при помощи конъюгации, при которой бактерии образуют пару и через специальный пиль одна из бактерий передаёт копию своей F-плазмиды.
Помимо передачи плазмид, горизонтальный перенос осуществляется у бактерий трансдукцией. Процесс заключается в переносе участков ДНК между клетками посредством бактериофагов.
Удвоение генома Основная статья: Полиплоидия
Удвоение генома обычно связано с нарушениями расхождения хромосом во время мейоза. Получившийся в результате удвоения генома организм называется полиплоидом. Полиплоидов можно разделить на две группы:
Автополиплоиды образуются в результате передачи двух одинаковых наборов хромосом. Аллополиплоиды образуются при слиянии геномов двух неродственных видов, обычно разных видов внутри одного рода. В результате геном аллополиплоида можно разделить на два субгенома, а каждый ген диплоидного набора представлен парой гомеологичных генов аллоплоида. В гомеологичной паре каждый ген соответствует одному из родителей.
Первые несколько поколений после удвоения генома происходят масштабные перестановки в геноме полиплоида. Так как каждый ген имеет две копии, некоторые хромосомы могут выпасть из генома с потерей лишь одного варианта генов. Такое явление называется анеуплоидией. Также активизируются перемещения мобильных элементов. Со временем геном полиплоидов приходит в стабильное состояние, и в ходе дальнейшей эволюции пары гомеологичных генов расслаиваются. Чаще всего один ген из пары становится псевдогеном, а второй продолжает выполнять начальную функцию. Иногда пары расходятся в функциях и начинают работать параллельно.
Полиплоидия является мощным механизмом симпатрического видообразования и широко распространена среди грибов и растений. Единичные случаи полиплоидии встречаются у животных.
Полиплоидия сыграла значительную роль в формировании многих современных цветковых. На данный момент считается, что все цветковые растения прошли как минимум через два цикла полиплоидизации.
Размер генома На размер генома организма, помимо числа генов, влияет число повторяющихся фрагментов ДНК. Суммарный размер генома часто не соотносится со «сложностью» организма. Это связано с тем, что доля транспозонов в геноме может быть очень большой. Кроме того, число генов также не всегда связано с числом стадий развития и тканей организма.
На данный момент нет доказательств того, что размер генома находится под жёстким отбором у многоклеточных эукариот. Размер генома, вне зависимости от числа генов в нём, слабо коррелирует с большинством физиологических параметров. Значительная часть эукариотов, в том числе и млекопитающие, несут огромное количество повторяющихся элементов.
Один из редких случаев действия естественного отбора на уменьшение размера генома отмечен у птиц. В отличие от млекопитающих, эритроциты птиц имеют ядра, которые при значительных размерах замедляют транспорт кислорода. Для поддержания высокого уровня метаболизма, необходимого для полёта, геном птиц уменьшился. Есть косвенные доказательства того, что такие же маленькие геномы были и у всех прочих теропод, что согласуется с эндотермией и высоким уровнем метаболизма динозавров.
Происхождение генов de novo Новые гены возникают несколькими генетическими механизмами, к которым относятся удвоение генов, ретротранспозиция, образование химерных генов, использование некодирующих последовательностей.
Удвоение генов вначале ведёт к избыточности генома. Позднее изначально одинаковые копии могут разойтись и выполнять уже различные функции. В дополнение к удвоению гена, может происходить удвоение лишь одного домена белка, что приводит к образованию белка с иной доменной архитектурой.