Molekularna evolucija

Molekularna evolucija je process mijenjanja sekvenci ćelijskih molekula iz sklopova kao što su DNK, RNK i proteini, tokom niza uzastopnih generacija. Istovremeno, tako se naziva i nauka koja ih proučava.

U objašnjavanju obrazaca tih promjena, molekularna evolucija koristi temeljne principe evolucijske biologije i populacijske genetike. Glavne teme u molekularnoj evoluciji počivaju na: stopi uticaja promjena pojedinačnih nukleotida, neutralnoj evoluciji u odnosu na prirodno odabiranje, nastanku novih gena, genetičkoj prirodi kompleksnih osobina, genetičkim osnovama specijacije i prilagodljivosti razvojne evolucije, načinima i putevima uticaja evolucijskih snaga na genomske i fenotipske promjene.

Određujuće snage molekularne evolucije

Sadržaj i struktura genoma su proizvod djelovanja molekularnih i populacijskogenetičkih sila koje deluju na taj genom. Nove genetičke varijante nastaju mutacijama, a širit će se i održavati u populacijama zbog uticaja genetičkog pomaka (drifta) i/ili prirodnog odabiranja.

Mutacije

Glavni članak: Mutacija

Depiogmentacija ježa je posljedica mutacije gena koji kontrolira sintezu melanina.

Mutacije su trajne, prenosive promjene u genetičkom materijalu (DNK ili RNK) ćelija ili virusa. One su rezultat grešaka u replikaciji DNK u ćelijskoj diobi i izlaganja zračenju, hemijskim agensima i drugim ekološkim opasnostima ili virusima i transpozonima. Većina mutacija koje se javljaju su jednonukleotidni polimorfizmi koji izmijene jednu bazu u sekvenci DNK, što dovodi do mutacija. Ostale vrste mutacija mijenjaju veće segmente DNK i mogu dovesti do duplikacije, insercije, delecije, inverzije i translokacije, odnosno strukturnih heomosomskih mutacija. Mutacije mogu zahvatiti i cijele hromosome (numeričke hromosomske mutacije) ili cijele haploidne hromosomske garniture (genomske mutacije).

Većina organizama ispoljava snažnu podložnost mutacijama koje se javljaju sa jakim uticajem u G-C para baza. Tranzicije (A ↔ G ili C ↔ T) su češće od transverzija purina (adenina ili guanina) ↔ pirimidin (citozin ili timin, a u RNK, uracil) i da su manje šanse promjene aminokiselinskih sekvenci proteina.

Mutacije su stohastične i u genima se obično javljaju nasumično. Stope mutacija po jednom nukleotidnom mjestu, za većinu organizama su vrlo niske, oko 10^x–9 do 10⁻⁸ po mjestu u generaciji, iako neki virusi imaju veće stope mutacijam, od oko 10⁻⁶, po mjestu po generaciji. Među njima, neke će biti neutralne ili korisne i ostati u genomu, osim ako se izgube iz genoma, pod uticajem genetičkog pomaka i prironog odabiranja.

Zbog toga što su mutacije izuzetno rijetke, vrlo sporo se akumuliraju tokom niza generacija. Dok broj mutacija koje se pojavljuju u jednoj generacije može varirati, protokom vrlo dugog vremenskog perioda, one će se pojaviti i akumulirati po redovnom tempu. Koristeći stopu mutacija po generaciji i broj nukleotidnih razlika između dva niza, vrijeme udaljavanja (vrsta, npr.) se može djelotvorno procijeniti preko molekularnog sata.

Rekombinacije

Glavni članak: Genetička rekombinacija

Rekombinacija koja uključuje prekide i prespajanje dva hromosoma (M and F), što daje dva preuređena hromosoma (C1 i C2).

Genetičke rekombinacije su posljedica procesa koji dovodi do genetičke razmjene između hromosoma ili hromosomskih regija. Rekombinacije sprečavaju fizičku povezanost između susjednih gena, čime se smanjuje genetičko autostopiranje. Nezavisno nasljeđivanje gena dovodi do uspješnijeg kombiniranja, što znači da će područja sa većim i učestalijim rekombinacijama imati manje štetne mutacije, odnosno imati povoljnije varijante, uz manje grešaka u replikaciji i popravkama DNK. Rekombinacije također mogu stvarati određene vrste mutacija, ako su homologni hromosomi u mejozi pogrešno poravnati.

Promjena gena

Promjena gena je vrsta rekombinacije koja je proizvod popravke DNK, gdje se oštetećeni nukleotid ispravlja pomoću homolognog genomskog područja kao matrice. Oštećene baze se prvo izbace iz oštećenog lanca, koji se zatim usklađuje sa neoštećenim homologom. Zatim sinteza DNK popravke izbacuje oštećeno područje pomoću neoštećenih lanaca kao vodiča.

Promjena gena je često odgovorna za homogeniziranje sekvence duplikatnih gena tokom dužeg vremenskog perioda, smanjujući udaljavanje nukleotida.

Genetički pomak

Glavni članak: Genetički drift

Genetički drift (genetičko pomjeranje, genetičko-automatski procesi, efekat slučaja, efekat Sewalla Wrighta), u novije vrijeme sve češće i usko grlo, neadaptacijski, odnosno vanselekcijski je činilac evolucijskog slučajnog favoriziranja fenotipova, koji također može značajno učestvovati u nastanku prepoznatljivih genskih fondova osobenih populacija živih bića. Ovaj faktor, bez obzira na adaptivnu vrijednost fenotipa, u nekoj od ključnih etapa nastanka genskog fonda naredne generacije, sasvim slučajno, određuje relativno učešće pojedinih gena. Njegovim djelovanjem, posebno u uslovima reproduktivne izolacije, objašnjavaju se često drastične međupopulacijske razlike u frekvenciji određenih "prilagodbeno neutralnih osobina", koje obično nastaju kada:

• narednu generaciju ne reproducira sveukupna populacija nego njen manji ili veći dio.
• "igrom slučaja nema stvaranja reproduktivnih parova saglasno sa zakonima vjerovatnoće, tj. njihovom relativnom učešću u populacije ili
• kada (bez uticaja selekcije), neki reproduktivni parovi imaju relativno više potomaka od ostalih, odnosno kada u genski fond naredne generacije ugrađuju veću količinu svojih gena.
• slučajnim nastankom genskog fonda pojedinih izolata i migrirajućih grupa. One po "principu osnivača" sačinjavaju genske fondove novih (sub)populacija, genetičkog sastava koji u manjoj ili većoj mjeri (ali gotovo redovno) odstupa od aktuelnog stanja u matičnoj populaciji. Ukratko, genski fond bilo kojeg izdvojenog dijela matične populacije ne može biti minijatura njene genetičke strukture.

Simulacija djelovanja genetičkog pomaka: proces fiksiranja plavog "alela" (odnosno uklanjanja crvenog) tokom pet generacija.

Između ostalog, tom "igrom slučaja" (genetičkim pomakom) u zahvaćenim malim populacijama može doći do fiksiranja izuzetno visoke ili niske učestalosti određenih gena, bez obzira na njihov početni doprinos prilagodbenoj vrijednosti fenotipa. S tim u vezi, isti gen može biti koristan u kombinaciji sa jednim, neutralan sa drugim, a štetan u kombinaciji sa trećim genom te da njihovi efekti nisu izloženi samo prilagođavanju spoljnoj sredini nego njihovom međudejstvu.

Odabir (selekcija)

Selekcija se javlja kada organizmi sa većom prilagodbenom vrijednošću, odnosno većom sposobnošću da prežive ili ostave više potomaka koji imaju prednost u kasnijim generacijama. Time se povećava učešće njihovih osnovnih genetičkih varijanti u populaciji. Odabiranje može biti proizvod prirodne selekcije, vještačkog odabira ili seksualne selekcije. Prirodna selekcija je proces odabira koji se javlja zbog različe prilagođenosti organizma na svoju okolinu. Za razliku od seksualne selekcije, koja je proizvod izbora partnera, pogodujući širenju genetičkih varijanti koje se ponašaju suprotno od prirodne selekcije, ali povećavaju želju ka suprotnom spolu ili povećavaju uspjeh parenja. Umjetna selekcija, također poznata kao selektivni uzgoj, nameće se izvan prirodnih entiteta što obično čine ljudi kako bi se povećala učestalost željenih osobina. Principi populacijske genetike se odnose na isti način na sve vrste prirodne selekcije, iako zapravo svaki može proizvesti različite efekte zbog grupisanja gena sa različitim ulogama u različitim dijelovima genoma, ili zbog različitih svojstava gena u određenim ulogama datih klasa. Naprimjer, spolna selekcija može češće uticati na molekularnu evoluciju spolnih hromosoma, zbog grupisanja posebnih spolnih gena na X, Y, Z ili W hromosomima koji određuju spolnu pripadnost.

Selekcija može djelovati na nivou gena na račun fitnesa organizma, što dovodi do selektivne prednosti za sebične genetičke elemente, uprkos i o trošku organizma. Primjeri takvih sebičnih elemenata uključuju transpozonske (prenosive) elemente tokom mejoze, ubice X hromosoma, sebične mitohondrije i samoprenosivi introni.

Arhitektura genoma

Veličina genoma

Veličina genoma utiče na količinu ponavljajućih sekvenci DNK, kao i broja gena u organizmu. Paradoks C-vrijednosti odnosi se na nedostatak odnosa između 'složenosti' organizma i veličine genoma. Objašnjenja za tzv. paradoks su najmanje dvostruki. Prvo, ponavljajući genetički elementi čine veliki dio genoma mnogih organizama, čime "napuhuju" pokazatelje sadržaja DNK u haploidnom genomu. Drugo, broj gena nije nužno pokazatelj broja razvojnih faza ili vrste tkiva u organizmu. Organizam sa nekoliko faza u razvoju ili vrste tkiva može imati veliki broj gena koji utiču na nerazdvajanje fenotipova – napuhivanje sadržaja gena u odnosu na porodice gena koji kontroliraju razvoj.

Objašnjenja o neutralnosti veličine genoma pokazuju da kada je mala veličina populacije, mnoge mutacije postaju gotovo neutralne. Dakle, u malim populacijama ponavljajući sadržaji i druge 'vezane' DNK mogu se akumulirati i bez stavljanja organizama u nezavidan položaj. Malo je dokaza koji ukazuju na to da je veličina genoma pod jako rasprostranjenom selekcijom kod višećelijskih eukariota. Veličina genoma, neovisno o sadržaju gena, slabo se uklapa sa većinom fizioloških osobina kod mnogih eukariota (uključujući sisare) sa velikom količinom ponavljajućih elemenata DNK.

Međutim, ptice su vjerojatno prošle kroz snažnu selekciju za smanjenje veličine genoma, što je bio odgovor na promjenu energetskih potreba za let. Za razliku od ljudi, ptice imaju crvena krvna zrnaca sa jedrom, a veće jedro omogućava niži nivo transporta kisika. Metabolizam ptica je daleko veći nego kod sisara, uglavnom zbog letenja, a potrebe za kisikom su visoke. Većina ptica ima mali, kompaktan genom sa nekoliko ponavljajućih elemenata. Indirektni dokazi ukazuju na to da su ne-ptičji teropodni dinosaurski preci modernih ptica također imali smanjenu veličinu genoma, u skladu sa endotermijom i visokim energetskim potrebama za brzo trčanje. Mnoge bakterije su također prošle kroz selekciju male veličine genoma, jer su vrijeme replikacije i potrošnja energije čvrsto povezani sa fitnesom.

Ponavljajući elementi

Prenosivi elementi su samoreplicirajući, sebični genetički dijelovi koji su sposobni za razmnožavanje u genomima domaćina. Mnogi od tih prenosivih elemenata su srodni virusima i imaju nekoliko zajedničkih proteina. DNK transpozoni se ponašaju po modelu "izrezati-zalijepiti" prenosive elemente koji isijecaju sekvence DNK i prenose ih na alternativne dijelove genoma. To su:

• ne-LTR retrotranspozoni,
• LTR retrotranspozoni,
• helitroni,

Alu elementi čine preko 10% ljudskog genoma, koji su kratke neautonomne ponavljajuće sekvence.

Odnos broja hromosoma i složenost organizacije

Broj hromosoma u organizma nije nužno u odnosu sa količinom DNK u njegovom genomu. Mrav Myrmecia pilosula ima samo jedan par hromosoma, a paprat gujin jezik (Ophioglossum reticulatum) ima do 1.260 hromosoma. U genomu protozoa, kao što su cilijate, svaki gen je u posebnom hromosomu, što dovodi do organizacije fizički nepovezanog genoma. Smanjena povezanost stvaranjem dodatnih hromosoma treba djelotvorno povećati djelotvornost odabira.

Promjene u broju hromosoma mogu imati ključnu ulogu u specijaciji, jer različiti brojevi hromosoma mogu biti prepreka za reprodukciju hibrida. Ljudski hromosom 2 je nastao fuzijom dva hromosoma zajedničkog pretka sa čimpanzom i dalje sadrži centralnu telomeru kao i zakržljalu drugu centromeru. Poliploidija, posebno alopoliploidija, koja se često javlja kod biljaka, također može dovesti do reprodukcijske neusklađenosti sa roditeljskim vrstama. Plavi leptiri Agrodiatus imaju raznovrsne brojeve hromosoma u rasponu od n=10 do n=134, a dodatno imaju jednu od najviših stopa specijacije do sada identificirane.

Sadržaj i raspodjela gena

Različiti organizmi imaju različit broj gena u okviru genoma, kao i različite obrasce u raspodjeli gena u njemu. Neki organizmi, kao što je većina bakterija, Drosophila i Arabidopsis imaju posebno kompaktne genome, sa malo ponavljajućih sadržaja ili nekodirjuće DNK. Ostali organizmi, poput sisara ili kukuruza, imaju velike količine ponavljajućih DNK, duge introne, a i znatan razmak između različitih gena. Sadržaj i raspodjela gena unutar genoma mogu uticati na stopu po kojoj se javljaju određene vrste mutacija i mogu uticati na naknadnu evoluciju različitih vrsta. Geni sa dužim intronima se češće rekombiniraju zbog povećanih fizičkih udaljenosti kodirajućih sekvenci. Kao takvi, dugi introni mogu olakšati vanjske rekombinacije i dovesti do veće stope stvaranja novih gena.

Organele

Pored jedarnog genoma, endosimbionetske organele sadrže svoj genetički materijal, koji je obično u obliku kružnih plazmida. Mitohondrije i hloroplasti imaju DNK koja taksonski varira, ali membranski vezani proteini, posebno sastavnice transportnog lanca elektrona su najčešće kodirane u organele. Hloroplasti i mitohondrije, kod većine vrsta nasljeđuju se od majke, tako da organele moraju proći kroz jaje. U rijetkim odstupanjima, za neke vrste dagnji se zna da se mitohondrije nasljeđuju od oca na sina.

Porijeklo novih gena

Novi geni proističu iz nekoliko različitih genetičkih mehanizama, među kojima su: duplikacije gena, nastanak de novo, retrotranspozicija, himerno stvaranje, aktiviranje nekodirajućih sekvenci i skraćivanje gena.

• Dupliranje gena obuhvata kopiranje niza gena za stvaranje suviška uključenih gena. Duplirane genske sekvence onda mogu mutirati i razviti nove uloge ili se specijaliziraju tako da svaki novi gen obavlja podskup prvobitne predačke uloge. Pored dupliranja cijeliih gena, ponekad se duplira samo domen ili dio proteina, tako da je nastali gen izdužena verzija roditeljskog gena.
• Retrotranspozicija stvara novi gen kopiranjem iRNK na DNK i unošenjem u genom. Retrogeni se često ubacuju u nove genomske lokacije, a često i razvijaju nove obrasce i ispoljavaju nove radne uloge.
• Himerni geni nastaju duplikacijom, delecijom, ili nepotpunom retrotranspozicijom pričemu objedinjuju dijelove dvije različite kodirajuće sekvence za proizvodnju novih genskih sekvenci. Himere često uzrokuju regulacijske promjene i mogu proizvesti nasumične proteinske domene sa novim adaptacijskim ulogama.

Novi geni mogu nastati u odnosu na prethodno nekodirajuće DNK. Naprimjer, Levine i kolege prijavili su porijeklo pet novih gena u genomu Drosophila melanogaster, nastalih od nekodirajuće DNK. Slični de novo nastavci gena su također nađeni kod drugih organizama, kao što su: kvasac, riža i čovjek. De novo geni mogu evoluirati iz transkripata koji su se već ispoljavali na niskoj razini. Mutacija stop kodona u redovni kodon ili okvir čitanja, može dovesti do dužeg proteina koji uključuje prethodno nekodirajuću sekvencu.

Molekularna filogenetika

Glavni članak: Filogenetika

Molekularna biosistematika je proizvod interakcije klasične sistematike i molekularne genetike. Ona koristi DNK, RNK ili proteinske sekvence za rješavanje sistematskih pitanja, težeći ka uspostavljanju realne naučne podjele ili taksonomije iz aspekta evolucijske biologije.

Molekularna sistematika je omogućila dostupnost tehnika za sekvenciranje DNK, koje omogućava određivanje tačne sekvence nukleotida ili nukleobaza u DNK ili RNK. Danas je još uvijek dug i skup proces sekvenciranja čitavog genoma nekog organizma, pa je to učinjeno samo za nekoliko vrsta. Međutim, sasvim je moguće da se utvrdi redoslijed definiranog prostora određenog hromosoma. Tipske molekularno-sistematske analize zahtijevaju poznavanje sekvenci od oko 1.000 parova baza.

Pokretačke snage evolucije

U zavisnosti od relativne važnosti, razrađivane su različite snage evolucije, od kojih tri perspektive pružaju prihvatljiva objašnjenja za molekularnu evoluciju.

Selekcionistička hipoteza sa kojom se tvrdi da je prirodno odabiranje pokretačka snaga molekularne evolucije. Iako priznaju da su mnoge mutacije neutralne, promjene u frekvencijama neutralnih alela selektionisti pripisuju povezivanju neravnoteže sa drugim lokusima koji su pod udarom odabira, a ne slučajnom genetičkom odabiru. Pristrasnost u upotrebi kodona se obično objašnjavaju sposobnošću čak i slabog odabira da oblikuje molekularne evoluciju.

Neutralistička hipoteza kojom se naglašava važnost mutacija, selekcijskog prečišćavanja i slučajnog genetičkog pomaka. Neutralnu teoriju je pokrenuo Kimura, a ubrzo zatim King i Jukes su izveli 'vlastite zaključke', što je dovelo do žestoke rasprave o relevantnosti neodarvinizma na nivou molekula. Ovom teorijom molekularne evolucije predlaže se da je većina mutacija u DNK na lokusima koji nisu važni za funkciju ili fitnes. Ove neutralnie promjene, genetički pomak (drift) vodi prema njihovoj fiksaciji unutar populacije. Pozitivne promjene će biti vrlo rijetke, pa neće značajno doprinijeti polimorfizmu DNK. Štetne mutacije također ne doprinose mnogo raznolikosti DNK, jer negativno utiču na fitnes i tako neće dugo ostati u genskom fondu. Ovom teorijom se daje okvir za molekularni sat.

Mituacionistička hipoteza kojom se naglašavaju efekti slučajnog genetičkog pomaka i ima predrasude prema mutacijskim obrascima. Sueoka je bio prvi koji je predložio moderno mutacionističko gledanje. Predložio je da varijacije u sadržaju para G-C nisu proizvod pozitivnog odabira, već posljedica G-C mutacijskog pritiska.

Evolucija proteina

Ovaj prikaz uspoređuje sekvence identiteta različitih lipaznih proteina u cijelom ljudskom tijelu.
Pokazuje kako proteini evoluiraju, držeći se u nekim područjima konzerviranim, dok su druge dramatično promijenjene.

Proteinska evolucija opisuje promjene tokom vremena u oblicima, strukturama i ulogama proteina. Putem količinske analize i eksperimenata, naučnici su nastojali da shvate stope i uzroke evolucije proteina. Koristeći sekvence aminokiselina u hemoglobinu i citohromu c kod više vrsta, mogli su izvesti procjene stope evolucije proteina. Ono što su otkrili je to da stope nisu iste među proteinima. Svaki od njih ima svoju stopu, koja je stalna tokom filogeneze (tj, hemoglobin ne evoluira po istoj stopi kao citokrom c, ali hemoglobini kod ljudi, miševa, itd. imaju uporedive stope evolucije). Nisu ni sve područja unutar proteina mutirala po istoj stopi. Važna područja sa radnim ulogama mutiraju sporije, a zamjene aminokiselina koje uključuju slične aminokiseline češće se javljaju nego različite zamjene. Sve u svemu, nivo polimorfizama u proteinima izgleda prilično konstantan. Nekoliko vrsta (uključujući i ljude, voćne mušice i miševe) imaju sličan nivo proteinskog polimorfizma.

Odnosi sa evolucijom nukleinskih kiselina

Proteinska evolucija je neizbježno vezana za promjene i odabir DNK polimorfizama i mutacija, jer se proteinske sekvence mijenjaju kao odgovor na promjene u DNK sekvencama. Sekvence aminokiselina i nukleinskih kiselina ne mutiraju po istoj stopi. Zbog degenerirane prirode DNK, nukleobaza se može promijeniti bez uticaja na sekvencu aminokiselina. Naprimjer, postoji šest kodona za leucin. Stoga je bez obzira na razlike u stopama mutacija, neophodno da se u raspravi o evoluciji proteina govori i o evoluciji nukleinskih kiselina. Krajem 1960-ih, dvije grupe naučnika – Kimura (1968) i King i Jukes (1969) – nezavisno su predložili da je većina evolucijskih promjena koje su uočene u proteinima bile neutralne. Od tada je u rasprevi proširena neutralistička teorija.

Nesklad sa morfološkom evolucijom

Ponekad postoji nesklad između podataka o molekularnoj i morfološkoj evoluciji, koje se ogledaju u molekulskim i morfološkim sistematskim istraživanjima, posebno bakterija, archaea i eukariotskih mikroba. Ove nepodudarnosti se mogu kategorizirati u dva vrste:

• jedna morfologija – više loza (npr. morfološko približavanje, kriptična vrsta) i
• jedna loza – više morfologija (npr. fenotipska plastičnost, više faza životnog ciklusa). U nekim slučajevima, pomenuti nesklad možda može objasniti neutralna evolucija.

Časopisi i društva

Društvo za molekularnu biologiju i evolucija objavljuje časopise Molecular Biology and Evolution i Genome Biology and Evolution i ima godišnji međunarodni skup. Drugi časopisi koji su posvećeni molekularnoj evoluciji uključuju Journal of Molecular Evolution i Molecular Phylogenetics and Evolution. Istraživanja u oblasti molekularne evolucije objavljuju se u časopisima iz više oblasti, kao što su: genetika, molekularna biologija, genomika, sistematika i evolucijska biologija.