Molekulární evoluce je studium změn v měřítku DNA, RNA a proteinů. Mezi mnoha složkami, které umožňují studium molekulární evoluce, je mutace jednou z hlavních. Mutace, důležité vlastnosti evoluce, jsou původem genetické rozmanitosti. Mohou mít škodlivé, výhodné nebo neutrální důsledky pro fenotyp mutovaného jedince. Z tohoto důvodu je rychlost výskytu těchto mutací předmětem mnoha studií. Tuto rychlost mutace lze definovat jako míru rychlosti, s jakou se vyskytují různé typy mutací, což dává pravděpodobnost, že se alela liší od kopie těchto rodičů. Existují také další charakterizační metody, jako jsou mikrosatelitní markery, počet změn na místě a na generaci, měřeno mezi jednotlivci stejné populace.
Obvykle se uvádí pro konkrétní třídu mutací a pro daný organismus. Míra mutace je však mezi 10-4 a 10-11 . Mluvíme zde o míře jako o pravděpodobnosti výskytu mutace. Běžně se uvádí µ a mezi uvažovanými skupinami se značně liší (například mezi eukaryoty a prokaryoty nebo dokonce v taxonu).
Evoluce je změna frekvencí alel v populaci v průběhu času. Aby bylo možné mluvit o evoluci, musí být splněna dvě kritéria: musí existovat variace a toto musí být dědičné.
Na evoluci se podílí mnoho procesů; máme mutace, genetické uškrcení, genetické míchání, náhodný drift, přirozený výběr: stabilizační, směrový nebo diverzifikující, sexuální výběr, migrace ...
Evoluce je založena na čtyřech hlavních mechanismech: přirozený výběr, genetický drift, mutace a migrace. Rozdíly každého jednotlivce se zpočátku objevují ve formě mutací . Ty pak mohou být opraveny nebo ne, například v závislosti na jejich dopadu na fenotyp. Pravděpodobnost fixace proto závisí na dvou faktorech, kterými jsou přirozený výběr a genetický drift .
Existují různé zdroje genetické rozmanitosti:
Mutace je spontánní nebo indukovaná změna, která mění nukleotidovou sekvenci. Mutace mohou mít vliv na pozitivní fenotyp (výhodná mutace) nebo negativní (škodlivá mutace) nebo jinak žádný účinek (tichá mutace). Právě tyto mutace a tvorba nových fenotypů budou předmětem výběru.
MigraceMigrace je evoluční síla, která zvýší genetickou variabilitu populace. Příchod nových jedinců s různými genotypy a alelami umožňuje lepší genetické míchání s populací hostitele, což umožňuje pokračovat ve starých a nových fenotypech, které budou rovněž předmětem selekce.
Charles Darwin jako první podpořil myšlenku přirozeného výběru, která je výsledkem genetické variace, a představil ji jako hlavní faktor evoluce. Tato genetická variace je produktem dvou procesů: mutace a rekombinace . Je založen na čtyřech omezeních: variabilita znaku v populaci, dědičnost tohoto znaku a výhoda z hlediska selektivní hodnoty.
Samotná rychlost mutace je považována za vlastnost, která podléhá selekci, její hodnota se u jednotlivých druhů liší. Rychlost mutace je ovlivněna přirozeným výběrem, protože je výsledkem toho, zda je či není tato mutace pevná. Pokud mutace přinese výhodu jednotlivci, bude mutace vybrána, naopak, pokud bude škodlivá, bude odstraněna. Účinek selekčního tlaku má tendenci snižovat rychlost mutace v genomu.
Čím vyšší je rychlost mutací, tím větší je pravděpodobnost škodlivých mutací. Pro selektisty jsou výhodné mutace vzácnější než ty škodlivé, ale jsou vybírány na úrovni fenotypu, proto v populaci přetrvávají. Hlavním účelem účinku selekčního tlaku je proto snížit rychlost mutace v genomu, aby se snížilo riziko škodlivých mutací. Tento selekční tlak poprvé pozoroval Sturtevant v roce 1937, který tvrdil, že většina spontánních mutací má tendenci spíše snižovat kondici než ji zvyšovat. Zajímalo ho proto, proč tato míra mutací neklesla na 0. Byla to Kimura, která o 30 let později navrhla hypotézu fyziologických nákladů na snížení mutací, která zabránila jejímu vynulování. Opětovné čtení DNA během replikace je pro buňku nákladný proces. To je důvod, proč existuje kompromis mezi vysokou rychlostí mutací, a tedy rizikem škodlivých mutací a opakovaným čtením, které umožňují snížit tuto rychlost, ale mají fyziologické náklady.
Právě tato cena vysvětluje silné rozdíly v rychlosti mutací mezi druhy: u bakterií je obzvláště vysoká. To je způsobeno skutečností, že systém integrity a věrnosti replikace DNA v závislosti na enzymatickém aparátu je velmi zjednodušený, chybovost během replikace je proto vysoká. Rychlost mutace u prokaryot je proto nekonečně rychlejší než u eukaryot, což k tomu přidává generační čas bakterií, který je velmi krátký (20 minut u určitých kmenů E. coli). Tyto časté mutace však stále mají výhodu: rychlou produkci nových genotypů, které umožní snadnou adaptaci v případě nestabilního nebo měnícího se prostředí.
U eukaryot, které jsou většinou sexuálními organismy, umožňuje silné genetické míchání kompenzovat nižší rychlost evoluce zavedením mutací rekombinací, což umožňuje optimální adaptaci i v nestabilním prostředí. Proces meiózy disociuje adaptaci rychlosti mutace od generované mutace. Kromě toho sexuální reprodukce umožňuje populaci účinněji se zbavit škodlivých mutací, než je to možné u populací nepohlavně se množících.
Zpochybňování dopadu přirozeného výběru na rychlost mutací je však složitým úkolem, protože tyto procesy ovlivňují jak zdatnost jednotlivců, tak také evoluční potenciál populací.
Výběr, který umožňuje vývoj rychlosti mutace, lze rozdělit do 2 kategorií: přímá nebo nepřímá. Přímý výběr je teoreticky jednoduchý a závisí na účinku mutantní alely na fyzický stav jinými faktory, než je jeho vlastní účinek na mutaci. Nepřímý výběr naopak závisí na nenáhodné asociaci (zvané „ vazebná nerovnováha “) mezi mutovanou alelou a alelami v jiných lokusech ovlivňujících kondici .
Genetický drift a neutralistická teorieGenetický drift je fenomén náhodné variace frekvencí alel a nejčastěji se vyskytuje u malých populací. Všechny biologické procesy jsou ovlivněny náhodnými faktory, ale většinou můžeme předpovědět různé výsledky spojené s těmito událostmi. Přirozený výběr je směrový, ale drift se neřídí zákonem. Událost odpovídající prudkému poklesu populace v důsledku tohoto driftu se nazývá úzké místo. Po zúžení může podíl přeživších druhů zase zmizet nebo být vystaven zakládajícímu účinku, což povede k nové populaci. Neutralisté ukazují důležitost mutace a náhodného genetického driftu ve vývoji rychlosti mutace. Vycházejí z práce Motoo Kimury, který uvádí neutrální teorii molekulární evoluce. To uvádí, že drtivá většina mutací je neutrální, že prospěšné mutace lze považovat za drobné a že škodlivé mutace jsou rychle eliminovány přirozeným výběrem . Tyto neutrální mutace jsou řízeny genetickým driftem a přispívají jak k rozdílům mezi druhy, tak také k polymorfismu uvnitř nukleotidů.
Neutralistická teorie zdůrazňuje vliv genetického driftu na rychlosti mutací. Navrhl to Motoo Kimura v roce 1968. Neutrální teorie podporuje myšlenku, že většina mutací je škodlivá, ale že jsou rychle eliminovány přirozeným výběrem. Pokud jde o mutace považované za neškodné, předpokládá se, že jsou spíše neutrální než prospěšné. Tyto neutrální mutace jsou charakterizovány jako takové, protože nemají žádný nebo jen velmi malý vliv na fyzickou zdatnost jedince. To neznamená, že umístění je irelevantní, ale že alely nalezené v tomto místě jsou selektivně neutrální.
Kimura následně tvrdí, že tato teorie platí pouze na molekulární úrovni a že vývoj na úrovni fenotypu je ze své strany řízen přirozeným výběrem. Druhá hlavní hypotéza Motoo Kimury proto uvádí, že většina evolučních změn není způsobena přirozeným výběrem, ale výsledkem genetického driftu působícího na mutantní alely, které jsou neutrální. Genetický drift je jev náhodných variací v průběhu času na frekvencích alel v populacích. Kimura dále říká, že při absenci selekce, to znamená v přítomnosti neutrální alely, to vždy skončí usazením a invazí do populace nebo zmizením. Všimněte si, že pokud je mutace výhodná, budeme mít na tuto mutaci pozitivní výběr (adaptivní výběr), čímž se zvýší pravděpodobnost, že je v populaci fixována. Naopak, pokud dojde ke škodlivé mutaci, pravděpodobnost připojení se sníží, protože nastává takzvaná negativní selekce (purifikační selekce).
Teorie Motoo Kimury tedy předpokládá, že dvěma hlavními motory molekulární evoluce jsou hlavně genetický drift a negativní selekce. Pozitivní výběr se neuvažuje, protože prospěšné mutace lze považovat za nepatrné a epizodické.
Je nicméně důležité si uvědomit, že neutralistická teorie molekulární evoluce nepopírá existenci přirozeného výběru, ale uvádí, že v molekulární evoluci dominuje selektivně neutrální evoluce, ale že ve změnách vlastností na fenotypové úrovni pravděpodobně dominoval spíše přirozený výběr než genetický drift.
Existuje několik statistických metod pro testování neutrálního vývoje a pro detekci výběru. Můžeme citovat test Tajima o nukleotidové diverzitě, McDonald-Kreitman a HKA (Hudson-Kreitman-Aguade) testy neutrálního polymorfismu a neutrální divergence, ale také testy pro srovnání míry substituce, zejména heuristické metody (aproximace) nebo metody pravděpodobnosti . Míra mutací a míry substituce zjevně souvisejí, protože k substitucím dochází pouze v případě, že dojde k mutacím, ale je důležité si uvědomit, že odkazují na různé procesy.
Míra mutace se vztahuje k rychlosti, při které dochází k mutacím, a míra substituce se vztahuje k rychlosti, při které dochází k substitucím alely.
Některé metody jsou proto založeny na typu mutace, kterou jsou substituce s následnou subklasifikací do dvou kategorií substitucí: substituce známé jako synonyma (tiché), neměnící aminokyselinu, která byla kódována, a substituce známé jako nesynonyma (tichá), která modifikují kódovanou aminokyselinu.
Oni Poté odhadnou počet nesynonymních substitucí na nesynonymní místo (Kns) a počet synonymních substitucí na synonymní místo, které pojmenují (Ks) kdo , Během doby, kdy oddělili dvě sekvence jejich společný předek, který nashromáždili. Předpokládá se, že synonymní mutace nepodléhají selekci nebo jsou málo předmětem selekce, protože jsou považovány za neutrální. Rychlost, s jakou se objevují, tj. Synonymní míra substituce, lze proto považovat za dobrý odhad rychlosti mutace. Můžeme tedy mít 3 různé situace:
Za předpokladu, že jsou mutace selektivně neutrální, můžeme vypočítat rychlost molekulární evoluce, tj. Rychlost alelické substituce, zde:
počet substitucí / generace = (počet mutací / generace) × (pravděpodobnost fixace)
λ = μ0.p0
V diploidní populaci velikosti N máme pro každý chromozom dvě kopie, tedy 2N gamety. Pravděpodobnost, že jeden z nich bude mutovat, je rychlost mutace μ, pak dostaneme: μ0 = 2N.μ
Když dojde k nové mutaci, existuje pouze jedna kopie, což je 1/2 N. To Lze také považovat za neutrální mutaci, která dosáhne vazby s pravděpodobností 1 / 2N
p0 = 1 / 2N
Dáme tedy: λ = μ0.p0
⇔ λ = (2N.μ). (1 / 2N)
⇔ λ = μ
Jinými slovy, pokud jsou mutace selektivně neutrální, rychlost substituce se rovná rychlosti mutace. To je důvod, proč neutralistická teorie molekulární evoluce poskytuje důvody pro molekulární hodiny , ačkoli objev těchto hodin předchází neutrální teorii.
V roce 1965 Emile Zuckerkandl (en) a Linus Pauling vytvořili po práci v roce 1962 představu molekulárních hodin o počtu rozdílů aminokyselin v hemoglobinu mezi různými liniemi . To říká, že „rychlost divergence aminokyselin je přibližně úměrná době paleontologické divergence“ . Zuckerkandl a Pauling předpokládají, že rychlost akumulace změn v biologických makromolekulách (nukleotidové sekvence DNA nebo aminokyselinové sekvence proteinů) by byla v průběhu času relativně konstantní. Molekulární hodiny se používají k odhadu takzvaných speciačních událostí , čímž nás informují o chronologii několika evolučních událostí, které mohly poznamenaly historii života na Zemi.
Práce Paulinga a Zuckerkandla lze spojit s prací na neutrální teorii molekulární evoluce .
Normální molekulární hodiny však mají faktory, které omezují jeho použití. Nejprve chyby kalibrace, protože objev nejstarší fosílie taxonomické skupiny není nikdy zaručen; omezený počet druhů a genů, které mohou vést ke stochastické chybě; různé generační doba a existence heterogenity v rychlosti vývoje mezi řádky, a to buď rozdíly mezi druhy nebo problém nasycení, protože na dlouhé časové škále několik mutace mohou se uskutečnily na nukleotidu: mnoho stránek má proto několik změn ale je možné detekovat pouze poslední.
Globální hodiny jsou proto použitelné zřídka, protože ve skutečnosti nejsou rychlosti molekulárního vývoje u druhů, genů a proteinů konstantní. Michael Sanderson následně v roce 1997 implementoval druhou metodu, uvolněné hodiny. To předpokládá, že rychlosti evoluce se příliš neliší podél větví fylogenetického stromu . Rychlost evoluce větve fylogenetického stromu je skutečně blízká rychlosti větve, ze které sestupuje. Sanderson tak vyhlazuje vývojové rychlosti, ve kterých jsou omezeny rozdíly mezi rychlostí sestupné větve a rychlostí rodičovské větve.
Míra mutace se liší od druhu k druhu a od místa k místu. Je důležité specifikovat, že škodlivá nebo výhodná mutace u velké populace může být neutrální u malé populace. Existuje několik odlišných diagramů vysvětlujících rozdíly v rychlosti mutací u různých taxonů.
Organismy, jejichž genom je založen na RNA (viry, fágy atd.), Mají nejvyšší rychlost na replikovaný genom, protože na RNA neexistuje žádný mechanismus opětovného čtení, pouze zrání.
U prokaryot („mikrobů“) je také vysoká rychlost mutací . Tato vysoká rychlost usnadňuje únik z dohledu nad imunitním systémem hostitele díky možnosti rychlejší adaptace. Je také možné, že tato rychlost nemůže být nižší, protože je výsledkem snížení nákladů na opětovné čtení a opravu genomové sekvence během replikace. Označíme G velikostí studovaného genomu.
U sexuálních populací podstupujících silné genetické míchání proces meiózy disociuje adaptaci rychlosti mutace od generované mutace. Kromě toho sexuální reprodukce umožňuje populaci účinněji se zbavit škodlivých mutací, než je to možné u populací nepohlavně se množících.
Rychlost mutace se liší v závislosti na uvažovaném druhu: U Caenorhabditis elegans : 2,3 * 10-10 . V Drosophila : 3,4 * 10-10 . U myší: 1,8 * 10 -10 a u lidí: 5 * 10 -11 .
U savců, a zejména u lidí, je rychlost mutace vyšší u mužů, kvůli vyššímu počtu rozdělení v zárodečné linii, která vede k spermatu, než v té, která vede k vajíčku .