Молекулярная эволюция и филогенетика

Эволюция оставляет следы в виде признаков.
Филогения таксонов и траектория трансформаций признака не тождественны, однако они конгруэтны, поскольку траектория остается внутри филогении

В основе филогенетического анализа лежит идея генеалогической передачи признаков. Если распределения признаков, которые наблюдаются у организмов, унаследованы от общего предка, то анализируя эти распределения, теоретически можно восстановить филогенетические траектории отдельных признаков, а затем на этом основании восстановить филогении таксонов
Признаки

Признаки разных организмов могут быть похожими или даже идентичными
На этом основании можно рассчитать уровень сходства
Но сходство не всегда отражает родство
Более важное понятие – гомологичные признаки
Признаки

Признаки
Традиционное определение гомологии

Традиционное определение гомологии
Не всегда верно.
Гомологичные признаки могут быть несходными

Типы гомологий
(“старая” гомология и “новая” гомология)
Примеры

Относительность понятий “апоморфия” и “плезиоморфия”
Признак B является
апоморфией
для клады (1+2)+3
(красная клада)
Однако для клады 1+2
он является
плезиоморфией

Три типа гомоплазий
параллелизмы
конвергенции
реверсии

Материальная реализация признаков
Теоретически можно использовать изменчивые признаки любой природы, например, экологические и поведенческие. На практике чаще всего используются морфологические, молекулярные и цитогенетические признаки
ДНК:
1 5 10
tagcaaaatg

Понятия “признак” и “состояние признака”
Признак “щетинка”. Состояния признака:
“щетинка длинная” – “щетинка короткая”
На генетическом (и молекулярном) уровнях состояния признаков - это аллельные варианты
Признак - ген A. Состояния признака:
аллель A1, аллель A2, аллель A3

Какие признаки пригодны для филогенетического анализа?
Только наследуемые

Какие признаки пригодны для филогенетического анализа?
Только гомологичные
Гомология – соответствие признаков, определяемое общим происхождением (родством), т.е. полученное от общего предка
Негомологичные состояния организмов, даже если они похожи, не несут информацию об общем предке, и их нет смысла сравнивать и использовать для филогенетических целей.

Какие признаки пригодны для филогенетического анализа?
Не гомоплазии (гомоплазии, несмотря на сходство, не несут информации о филогенетическом родстве)
Гомоплазия – сходство (или даже идентичность), не являющееся результатом прямой передачи от общего предка

Какие признаки пригодны для филогенетического анализа?
признаки должны быть изменчивыми.
Именно изменчивость позволяет делать какие-либо заключения об эволюции

Мономорфные и полиморфные признаки
Мономорфные (фиксированные) – однотипные в пределах таксона (популяции) – в пределах таксона (популяции) имеется одно состояние признака
Систематики любят работать с фиксированными признаками
Полиморфные - в пределах таксона (популяции) имеется два и более состояний признака
Молекулярные признаки часто полиморфны (поэтому важно поговорить о полиморфизме)

История одного аллеля: мутации ведут к полиморфизму
Пример: группы крови

История одного аллеля: вымирание аллелей ведет к мономорфизму

Эволюция мономорфизма
Теорема популяционной генетики:
если новые аллели не возникают (нет мутаций), то со временем один из аллелей вытеснит все остальные

Эволюция мономорфизма –
история одного
счастливого
аллеля
Каждая генерация продуцирует больше потомков, чем число, которое может выжить
-Уровень аллельного разнообразия у этих потомков = уровню аллельного разнообразия у предков

Эволюция мономорфизма
Часть потомков гибнет или не участвует размножении, при этом всегда есть вероятность потери аллелей, особенно редких
- Этот процесс потери части аллелей повторяется в каждой генерации – аллельное разнообразие уменьшается

Эволюция мономорфизма
В конце концов остается один аллель –
либо он случайно выживает,
либо отбор способствовал его поддержанию.

Пример:
Эволюция человеческих фамилий в деревнях

Пример:
Потенциальная эволюция разнообразия направлений на биологическом факультете (вымирание кафедр)

Мономорфные и полиморфные признаки
Мономорфные (фиксированные) – однотипные в пределах таксона (популяции) – в пределах таксона (популяции) имеется одно состояние признака
Систематики любят работать с фиксированными признаками
Полиморфные - в пределах таксона (популяции) имеется два и более состояний признака
Молекулярные признаки часто полиморфны (поэтому важно поговорить о полиморфизме)

Что такое молекулярный признак
ДНК:
1 5 10
tagcaaaatg
Признаком является позиция (номер нуклеотидной последовательности – 1ая, 10ая и т.д.
Состоянием признака является конкретный нуклеотид в этой позиции – либо a, либо c, либо g, либо t

Полиморфизм
1 5 10
tagcaaaatg
1 5 10
aagcaaaatg
1 5 10
cagcaaaatg
1 5 10
tagcaaaatg

Эволюционная история четырех аллелей одного гена
Филогения гена

Филогения гена и филогения таксонов –
это не одно и то же

Анцестральный
полиморфизм
Вновь приобретенный
полиморфизм

Анцестральный
полиморфизм
Вновь приобретенный
полиморфизм
Точка коалесценции

Сортировка – это разделение аллелей по линиям
Линия B
Полная сортировка
= потеря
анцестрального
полиморфизма;
=монофилия аллелей
=время коалесценции
всех аллелей гена
меньше,
чем возраст линии
Линия A
Неполная сортировка
= сохранение
анцестрального
полиморфизма;
= парафилия аллелей
=время коалесценции
аллелей гена больше,
чем возраст линии

Сортировка (lineage sorting) – это разделение аллелей по филогенетическим линиям.
Понятие линии
Линия – популяция (совокупность популяций) с собственной эволюционной судьбой
В качестве линии могут выступать популяции, подвиды, виды и таксоны высокого ранга
Чаще всего линии возникают в результате географического разделенения

Сортировка (lineage sorting) – это разделение аллелей по филогенетическим линиям.
Сортировка включает:
(1) случайное разделение аллелей при разделении линий,
(2) вымирание аллелей,
(3) возникновение новых аллелей

Со временем любая неполная сортировка
превращается в полную сортировку!!!
Почему?
-древние аллели вымирают, а новые появляются уже внутри линии
Линия B
Полная сортировка
= реципроктная
монофилия аллелей, т.е.
все аллели внутри линии
ближе друг к другу, чем к
к какому-либо аллелю
из другой линии
=время коалесценции
всех аллелей гена меньше,
чем возраст линии
Линия A
Неполная сортировка
= сохранение
анцестрального
полиморфизма;
=парафилия
=время коалесценции
аллелей гена больше,
чем возраст линии

Неполная сортировка линий (аллелей) может быть причиной ошибочного определения границ видов

Неполная сортировка линий (аллелей) может быть причиной неправильной филогенетической реконструкции

Чем больше интервалы времени между дивергенциями, тем больше вероятность, что произойдет полная сортировка линий (старые аллели вымерли, а все новые возникли в пределах линии), тем больше вероятность совпадения филогении гена (признака) и таксона

Молекулярные признаки, несмотря на их специфику, имеют много общего с более традиционными морфологическими признаками
Эти признаки, несмотря на их специфику, можно использовать достаточно стандартно, в рамках любой методологии реконструкции филогенеза

Цитогенетические (=кариологические) методы в систематике:
возникли в начале 20 века, еще на заре развития генетики
Молекулярные подходы:
50-80ые годы 20 века - серологические реакции, электрофорез белков, ДНК-ДНК гибридизация;
современный этап – анализ нуклеиновых кислот, в первую очередь методом секвенирования ДНК

Признаки
Нуклеотидные и аминокислотные последовательности как признаки, несущие филогенетический сигнал
ДНК:
1 5 10
tagcaaaatg

Что такое молекулярный признак
ДНК:
1) единичный нуклеотидный сайт;
1 5 10
tagcaaaatg
2) ген (нуклеотидная последовательность, локус)
РНК:
1) единичный нуклеотидный сайт;
2) нуклеотидная последовательность
Белок:
1) аминокислота;
2) полипептид

Достоинства молекулярных признаков:
1) являются полноценными диагностическими признаками и несут филогенетический сигнал

Достоинства молекулярных признаков:
1) являются полноценными диагностическими признаками и несут филогенетический сигнал;
2) они дискретны и могут быть очерчены однозначно и совершенно объективно (в отличие от признаков морфологии)

Достоинства молекулярных признаков:
1) являются полноценными диагностическими признаками и несут филогенетический сигнал;
2) они дискретны и могут быть очерчены однозначно и совершенно объективно
3) соотношение между генотипом и фенотипом абсолютно прозрачно

Достоинства молекулярных признаков:
их очень много!!!
4) Геномы высших организмов состоят их миллиардов нуклеотидов, соответственно имеются миллиарды признаков и еще больше их состояний. Систематики обычно оперируют не полными геномами, а их небольшими фрагментами. Но даже в этих случаях обычно удается обнаружить десятки, а то и сотни видоспецифичных нуклеотидных замен

Достоинства молекулярных признаков:
5) Закономерности молекулярной эволюции изучены и поняты значительно лучше, чем закономерности морфологической эволюции

В качестве признака выступает определенная позиция – сайт.
Состояния элементарного признака – нуклеотиды, занимающие определенный сайт.
4 типа нуклеотидов в зависимости от азотистого основания
- 4(5) состояния одного элементарного признака
adenine (a), cytosine (c), guanine (g), thymine (t)

Классификация элементарных нуклеотидных признаков (вернее, состояний признаков):
пурины и пиримидины
adenine (a), cytosine (c), guanine (g), thymine (t)
Purines = adenin and guanine
Pirimidines = cytosine and thymine
Элементарный признак – нуклеотид, занимающий определенный сайт

Последовательности ДНК и аминокислотные последовательности
Классификация элементарных нуклеотидных признаков:
признак в 1, 2 и 3 позиции кодона
1 2 3
1 2 3
1 2 3

1
10
20
30
Выравнивание
нескольких нуклеотидных последовательностей
(alignment)
и понятие позиционной гомологии

Purines = adenin and guanine
Pirimidines = cytosine and thymine
Выпадения и вставки нуклеотидов
1
10
20
30
Как возникают новые состояния
молекулярных признаков?
Точечные замены!

Purines = adenin and guanine
Pirimidines = cytosine and thymine
Транзиции и трансверсии
1
10
20
30
Как возникают новые состояния
молекулярных признаков?
Точечные замены!

Purines = adenin and guanine
Pirimidines = cytosine and thymine

Последовательности ДНК и аминокислотные последовательности
Появление новых аминокислот

Синонимичные и несинонимичные замены, сдвиг рамки считывания и выпадения аминокислот

Другие механизмы молекулярной эволюции (неточечные замены)
Рекомбинация
Гомологичная
Неравный кроссинговер
Генная конверсия
Горизонтальный перенос
Транспозиции

Дупликация гена

Дуплицированный ген (β) может:
а) выполнять сходные функции (появление мультигенных семейств)
б) превращаться в псевдоген
в) превращаться в новый ген (другая функция)

Механизмы молекулярной эволюции на макроуровне
Хромосомные перестройки
Инверсии
Транслокации
Слияния и разделения хромосом
Полиплоидия и анеуплоидия

Какие признаки пригодны для филогенетического анализа?
Только наследуемые: молекулярные признаки - да!
Только гомологичные
Не гомоплазии (гомоплазии, несмотря на сходство, не несут информации о филогенетическом родстве)

Какие признаки пригодны для филогенетического анализа?
Только наследуемые: молекулярные признаки - да!
Только гомологичные! Но как выявить гомологию молекулярных признаков?
Не гомоплазии (гомоплазии, несмотря на сходство, не несут информации о филогенетическом родстве)

Какие гены и какие нуклеотиды гомологичны?
1
10
20
30

Гомология генов
Гены A и A1 гомологичны
В данном случае они идентичны по структуре и положению в геноме, и, самое главное, происходят от общего предка
Гомология нуклеотидов –
это позиционная гомология
Сайт 1 гена А гомологичен
сайту 1 гена А1;
Сайт 2 гена А гомологичен
сайту 2 гена А1
………..
Сайт 10 гена А гомологичен
сайту 10 гена А1
……………

Гомология – это не то же самое, что идентичность или сходство генов
Мутации создают новые состояния признаков, не меняя их гомологичность
Сайт 1 гена А гомологичен
сайту 1 гена А1,
но они не идентичны

Дуплицированные гены негомологичны!
Они не получены в ходе генеалогической передачи признаков! Они занимают разные локусы и каждый имеет свою эволюционную судьбу. Это РАЗНЫЕ признаки!

В результате дупликаций возникают пары похожих, но НЕ ГОМОЛОГИЧНЫХ генов, которые обретают собственную судьбу и эволюционируют независимо. Смешение настоящих гомологичных (=ортологичных) и негомологичных (паралогичных) ведет к ошибочной реконструкции филогенеза
Гомология – это что?
Общее происхождение по горизонтальной линии
(не а
Гомология – происхождение от общего генеалогического предка.
Признак, возникший вне генеалогического ряда, не является гомологией,
несмотря даже на генетическую идентичность

Гомология нуклеотидных последовательностей (“генов”)
Гены A и A1 гомологичны
В данном случае они идентичны по структуре и положению в геноме
Гены A и B1 не гомологичны,
Они имеют разное положение в геноме, но при этом они
идентичны по структуре
Гомология нуклеотидов –
это позиционная гомология
Сайт 1 гена А гомологичен
сайту 1 гена А1;
НО
Сайт 1 гена А не гомологичен
сайту 101 гена B1

Гены A и B:
Гомология отсутствует,
Сходство = 100%
Гены A и B1:
Гомология отсутствует,
Сходство = 100%
Гены A и A1:
Гомология присутствует,
Сходство = 0%
Бывают ли “проценты гомологии”?

1
10
20
30
Сравнение правомочно, если
а) гены ортологичны (=гомологичны, не паралогичны),
б) сравниваются нуклеотиды, занимающие один и тот же сайт
ТО ЕСТЬ, ЕСЛИ ГОМОЛОГИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНА ПРАВИЛЬНО

Какие признаки пригодны для филогенетического анализа?
Только наследуемые: молекулярные признаки - да!
Только гомологичные! Но как выявить гомологию молекулярных признаков?
Не гомоплазии (гомоплазии, несмотря на сходство, не несут информации о филогенетическом родстве)

Признак А в первом
сайте не является
гомоплазией, так как
он непосредственно
унаследован от
общего предка

Совпадения буквы А
в первой
позиции
являются следствием
реверсии
(=гомоплазии)
Эволюция нуклеотидов в позиции № 1
Гомология признаков
и гомология состояний
признаков: изучаемый
признак (позиция 1)
гомологичен для всех
сиквенсов, в состояние A
гомологично не для всех

Митохондриальная хромосома

Митохондриальная ДНК
Гаплоидность
По материнской линии
Нет рекомбинации
Высокая скорость
нуклеотидных замен
Малое время
коалесценции
Свой генетический код
Множество копий в клетке
Транскрипция в две
стороны

У общего предка Hexapoda и Crustacea произошла перестройка митохондриальной хромосомы
(Boore et at. 1998. Gene translocation links insects and crustaceans. Nature 392:667-668)
Генная карта
кольцевой митохондриальной
хромосомы
насекомых
и ракообразных
(по: Kim et al., 2006.
Insect Molecular
Biology, с изменениями)
(2), 217–225

Генные карты (A) и схема реорганизаций положения генов (B) для митохондриальных геномов Geodia neptuni и Tethya actinia (по: Lavrov, Lang, Syst. Biol. 54:551-559 (2005)

Филогения основных групп билатеральных животных, основанная на анализе хромосомных перестроек митохондриального генома (Lavrov, Lang, 2005, Systematic Biology)

Хлоропластная ДНК

Ядерная ДНК эукариот и ДНК прокариот

Хромосомы, геномы
Эухроматин (содержит большинство генов)
Гетерохроматин
Центромеры, теломеры, хромосомные плечи, хромосомный бэндинг

Генетический код
Кодон, вырожденность кода, понятие синонимичного кодона
Стоп-кодоны и кодоны инициации

Генетический код не универсален

Псевдогены

Некодирующая ДНК и
С- парадокс

Кластеры рибосомальной ДНК
Консерватиные, вариабельные и гипервариабельные участки
Множество копий генов. Понятие согласованной (концертной) эволюции.

Полипептиды
Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура

Техники ДНК-анализа
Клонирование ДНК
ПЦР и секвенирование
Техники, основанные на элекрофорезе
RAPD (randomly amplified polymorphic DNA)
RFLP (restriction fragment length polymorphism)

ПЦР