Эволюционная дистанция
Эволюционная дистанция — величина, характеризующая генетические различия между двумя организмами. Находится путём сравнения нуклеотидных последовательностей гомологичных генов. Мерой генетических различий считается процент несовпадений нуклеотидов в соответствующих позициях гена[1].
Методы определения
Попарная дистанция
Простейшей величиной, характеризующей эволюционную дистанцию является доля несовпадающих нуклеотидов при попарном сравнении соответствующих позиций в гене. Эта величина называется «попарной дистанцией» (обычно обозначается символом p).
Например, при сравнении следующих двух участков гена
CAGACAGTCA CACACTGCCA
на 10 нуклеотидов приходится три несовпадающих, p = 0,3.
Попарная дистанция недостаточно адекватно описывает эволюционные различия между организмами:
- Так как для двух абсолютно произвольных последовательностей нуклеотидов вероятность их случайного совпадения в соответствующих позициях равна 25 %, то попарное расстояние между двумя совершенно чужеродными участками ДНК в среднем равно p = 0,75, тогда как по смыслу должно быть p = 1.
- Попарное расстояние не учитывает разную вероятность различных замен нуклеотидов.
- Попарное расстояние не учитывает возможность многократных мутаций в одной позиции.
Недостатки попарной дистанции устраняются использованием более сложных формул определения дистанции:
- Метод Джукса-Кантора
- Метод Тадзимы-Неи
- Метод Кимуры
- Метод Тамуры
- Метод Тамуры-Неи
и другие методы.
Метод Джукса-Кантора
Метод Джукса-Кантора[2] (англ. Jukes-Cantor Method) представляет собой простейшую попытку исключить из рассмотрения случайные совпадения нуклеотидов, вероятность которых составляет 25 %. Это однопараметрический метод, который в качестве параметра использует долю несовпадающих нуклеотидов (то есть попарную дистанцию p). Дистанция рассчитывается по следующей формуле
Метод предполагает, что все четыре нуклеотида (А, Ц, Т, Г) присутствуют в ДНК в одинаковых пропорциях, а вероятность замены одного нуклеотида на другой одинакова для любой пары нуклеотидов.
Как видно из формулы при p > 0,75 выражение не имеет смысла (отрицательное выражение под знаком логарифма). Это является недостатком метода, так как ситуации с p > 0,75 (более 75 % различающихся нуклеотидов) принципиально не исключены.
Формула была предложена в 1965 году, на заре исследований в области молекулярной биологии преподавателем химического факультета Калифорнийского университета Томасом Джуксом[англ.] и студентом того же факультета Чарлзом Кантором[англ.]. В середине 1960-х годов биохимические технологии достигли того уровня, когда стала возможной расшифровка отдельных фрагментов ДНК и аминокислотных последовательностей белков. Это позволило путём сравнения нуклеотидных последовательностей проследить эволюционную близость различных организмов и пути эволюции отдельных видов. Джукс и Кантор входили в число пионеров в деле формализации этого метода, а Кантор стал автором одной из первых компьютерных программ для анализа нуклеотидных последовательностей[3].
В качестве примера применения формулы можно привести фрагменты генов, кодирующих α- и β-гемоглобин человека. Считается, что около 400 млн лет назад оба гена произошли от одного предкового гена[3].
ACCAACGTCAAGGCCGCCTGGGGTAAGGTT (α-гемоглобин) TCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGGAAGGTG (β-гемоглобин)
Сравнение фрагмента обнаруживает 12 различий на 30 нуклеотидов (p = 0,4). Однако простой подсчёт расхождений не учитывает вероятность того, что в некоторых позициях произошли многократные мутации, в том числе приведшие к восстановлению исходного нуклеотида. Формула Джукса-Кантора даёт дистанцию
Таким образом, из формулы следует, что с учётом кратных замен в рассматриваемом фрагменте ДНК произошло 0,572·30=17 мутаций.
Метод Кимуры
Мотоо Кимура предложил метод вычисления дистанции, который получил название «двухпараметрическая дистанция Кимуры» (англ. Kimura 2-parameter distance, K2P). Модель Кимуры предполагает, что различные варианты замены нуклеотидов неравновероятны и рассматривает два типа замен:
- Транзиция — замена нуклеотида без смены его типа, например, замена пуринового основания на пуриновое (А ↔ Г) или пиримидинового на пиримидиновое (Ц ↔ Т).
- Трансверсия — смена типа основания с пуринового на пиримидиновый или наоборот (А или Г ↔ Ц или Т).
Дистанция в модели Кимуры определяется по формуле
где P — доля транзиций, Q — доля трансверсий.
Рассматривая в качестве примера эволюционную дистанцию между фрагментами генов α- и β-гемоглобина, получим:
ACCAACGTCAAGGCCGCCTGGGGTAAGGTT (α-гемоглобин) TCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGGAAGGTG (β-гемоглобин) Q PPQ P QQ QPQ Q Q
Метод Тадзимы — Нея
В модели Тадзимы — Нея дистанция определяется следующими соотношениями[4]:
где
- xij — относительные частоты пар нуклеотидов;
- gi — относительные частоты нуклеотидов.
В качестве примера вычислим дистанцию между фрагментами генов, кодирующих α- и β-гемоглобин человека.
ACCAACGTCAAGGCCGCCTGGGGTAAGGTT (α-гемоглобин) TCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGGAAGGTG (β-гемоглобин)
Нуклео- тид | xij | gi | ||
---|---|---|---|---|
A | T | C | ||
A | 10/60 = 0,167 | |||
T | 1/30 = 0,0333 | 13/60 = 0,217 | ||
C | 2/30 = 0,0667 | 3/30 = 0,100 | 15/60 = 0,250 | |
G | 1/30 = 0,0333 | 3/30 = 0,100 | 2/30 = 0,0667 | 22/60 = 0,367 |
В некоторых источниках дистанцией Тадзимы-Нея называется расчёт по более простой формуле
где
Для случая, когда все нуклеотиды встречаются с одинаковой частотой (gi = 0,25), эта формула совпадает с формулой Джукса-Кантора (b = 0,75).
Расчёты по этим формулам дают для того же примера
Примечания
- ↑ Словарь терминов, используемых в молекулярной эволюции, популяционной генетике и молекулярной биологии Архивная копия от 28 января 2007 на Wayback Machine. На сайте СНК кафедры общей химии БГМУ.
- ↑ T. H. Jukes, C. R. Cantor (1969) Evolution of protein molecules. In H. N. Munro, ed., Mammalian Protein Metabolism, pp. 21-132, Academic Press, New York.
- ↑ 1 2 Thomas H. Jukes (April 30, 1990) How Many Nudeotide Substitutions Actually Took Place? Архивная копия от 21 октября 2012 на Wayback Machine Current Contests: 33(18), p. 21.
- ↑ Sudhir Kumar, Koichiro Tamura, and Masatoshi Nei. 4.1 Nucleotide Substitutions (англ.). MEGA: Molecular Evolutionary Genetics Analysis. Version 1.01. MEGA, Molecular Evolutionary Genetics Analysis[англ.] (1993). Дата обращения: 18 февраля 2015. Архивировано 6 февраля 2015 года.
См. также
- Substitution model
- Models of DNA evolution
- Нейтральная теория молекулярной эволюции
- en:The Neutral Theory of Molecular Evolution
- en:Nearly neutral theory of molecular evolution
- en:Molecular evolution
- en:History of molecular evolution
- Дрейф генов
Ссылки
- Сайт СНК кафедры общей химии БГМУ (недоступная ссылка).
- Distance. Phylogenetics: just methods. By Mark E. Siddall.
- Manske C. L., Chapman D. J. (1987) Nonuniformity of nucleotide substitution rates in molecular evolution: computer simulation and analysis of 5S ribosomal RNA sequences (недоступная ссылка). J. Mol. Evol. 26(3):226-251. PubMed.
- Aarta H. J. M., den Dunnen J. T., Leunissen J., Lubsen N. H., Schoenmakers J. G. G. (1988) The γ-crystallin gene families: sequence and evolutionary patterns (недоступная ссылка). J. Mol. Evol. 27:163-172. PubMed.
- Tateno Y., Tajima F. (1986) Statistical properties of molecular tree consruction methods under the neutral mutation model (недоступная ссылка). J. Mol. Evol. 23:354-361. PubMed.
- Aliabadian M., Kaboli M., Nijman V., Vences M. (2009) Molecular Identification of Birds: Performance of Distance-Based DNA Barcoding in Three Genes to Delimit Parapatric Species. PLoS ONE 4(1): e4119. doi:10.1371/journal.pone.0004119.
- Thomas H. Jukes (March 2000) The Neutral Theory of Molecular Evolution. Genetics 154: 955—958.
- Gillespie, J. H[англ.]. The Causes of Molecular Evolution (англ.). — Oxford University Press, New York, 1991. — ISBN 0-19-506883-1.
- Graur, D. and Li, W-H. Fundamentals of Molecular Evolution, 2nd edition (англ.). — Sinauer Associates[англ.], 2000. — ISBN 0-87893-266-6.
- Kimura, M. Evolutionary rate at the molecular level (англ.) // Nature. — 1968. — Vol. 217. — P. 624—626. — doi:10.1038/217624a0. — PMID 5637732. Архивировано 11 сентября 2008 года.
- Kimura, M. The Neutral Theory of Molecular Evolution. — Cambridge University Press, Cambridge, 1983. — ISBN 0-521-23109-4..
- Kimura, M. The Neutral Theory of Molecular Evolution. — Cambridge University Press, Cambridge, 1985. — 384 p. — ISBN 0521317932, 9780521317931..
- Kimura M. The neutral theory of molecular evolution: a review of recent evidence (англ.) // Jpn. J. Genet. : journal. — 1991. — Vol. 66, no. 4. — P. 367—386. — PMID 1954033. (недоступная ссылка)
- King, J.L. and Jukes, T.H. Non-Darwinian Evolution (англ.) // Science : journal. — 1969. — Vol. 164, no. 881. — P. 788—798. — doi:10.1126/science.164.3881.788. — PMID 5767777. Current Contents.
- Lewontin, R. The Genetic Basis of Evolutionary Change (неопр.). — Columbia University Press, 1974. — ISBN 0-231-03392-3.
- Ohta, T. Slightly deleterious mutant substitutions in evolution (англ.) // Nature : journal. — 1973. — Vol. 246, no. 5428. — P. 96—98. — doi:10.1038/246096a0. — PMID 4585855.
- Ohta, T. The Nearly Neutral Theory of Molecular Evolution (англ.) // Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics : journal. — Annual Reviews, 1992. — Vol. 23. — P. 263—286. Архивировано 18 августа 2011 года.
- Ohta, T. and Gillespie, J.H. Development of Neutral and Nearly Neutral Theories (англ.) // Theoretical Population Biology[англ.] : journal. — Elsevier, 1996. — Vol. 49, no. 2. — P. 128—142. — doi:10.1006/tpbi.1996.0007. — PMID 8813019.
- Sueoka, N. On the genetic basis of variation and heterogeneity of DNA base composition (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1962. — Vol. 48. — P. 582—592. — doi:10.1073/pnas.48.4.582.
- Kimura, M. DNA and the Neutral Theory (неопр.) // Philosophical Transactions of the Royal Society. Series B, Biological Sciences. — 1986. — Т. 312, № 1154. — С. 343—354. — doi:10.1098/rstb.1986.0012. — PMID 2870526.
- Provine W.B. Rise of the null selection hypothesis. In Cain A.J. and Provine W.B. 1991. Genes and ecology in history. In Berry R.J. et al. (eds) Genes in ecology: the 33rd Symposium of the British Ecological Society. Blackwell, Oxford, p15-23.
- Duret, L. Neutral Theory: The Null Hypothesis of Molecular Evolution (англ.) // Nature Education : journal. — 2008. — Vol. 1, no. 1.
- Nei M. Selectionism and neutralism in molecular evolution (англ.) // Molecular Biology and Evolution[англ.] : journal. — Oxford University Press, 2005. — 24 August (vol. 22, no. 12). — P. 2318—2342. — doi:10.1093/molbev/msi242. — PMID 16120807. — PMC 1513187. HTML.
- Masatoshi Nei, Sudhir Kumar. Molecular Evolution and Phylogenetics (англ.). — Oxford University Press, USA, 2000. — 333 p. — ISBN 0195135857, 9780195135855.. (недоступная ссылка)
- The Neutral Theory (недоступная ссылка). By Dr. Walter Salzburger.
- Sudhir Kumar, Koichiro Tamura, and Masatoshi Nei. 1993. MEGA: Molecular Evolutionary Genetics Analysis, version 1.01. The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802.