Молекулярная филогенетика

Молекулярная филогенетика

Сходство биологических функций и молекулярных механизмов в живых организмах указывает на происхождение всех видов от общего предка. Молекулярная филогенетика опирается на структуру и функцию биополимеров и их изменения во времени, чтобы воспроизвести правильную эволюционную картину. Данное направление появилось в начале 20-го века, но серьезное развитие связано с появлением в 60-70-е годы ПЦР техники, секвенирования по Сенгуру, электрофореза и других методов молекулярной биологии. Поскольку за прошедшие 30 лет мощность и доступность ЭВМ сильно увеличилась, а компьютерных алгоритмов стало больше, ученые смогли исследовать чрезвычайно сложные стохастические и вероятностные проблемы и лучше понять эволюцию на молекулярном уровне. В течение последнего десятилетия работа в области вышла на новую ступень, пересмотрены и изменены ряд ключевых моментов, потому что секвенирование геномов сложных существ упростилось и подешевело. Геномные базы данных становятся общедоступными. Все эти факторы выводят молекулярную филогенетику на новый уровень и открывают ряд новых возможностей для ее роста.

Основная задача молекулярно-филогенетических исследований заключается в восстановлении порядка эволюционных событий в виде филогенетических древ, наглядно изображающих отношения между видами или генами во времени. Такой процесс чрезвычайно сложный, в особенности из-за того, что нет ни одного правильного пути для решения филогенетических проблем. Филогенетические наборы данных могут состоять из сотен видов, каждый из которых отличается скоростью и формами мутаций, влияющих на эволюционные изменения. И поэтому количество эволюционных моделей и стохастических методов огромно. Оптимальный путь филогенетического анализа зависит от характера исследования и используемых данных.

Эволюция – процесс, посредством которого черты популяции меняются от одного поколения к другому. В «Происхождении видов путем естественного отбора» Чарльз Дарвин сделал вывод, что его обширные наблюдения и сравнительный анализ живых образцов и окаменелостей служат доказательством того, что все живые организмы произошли от общего предка.

Теория эволюции Дарвина включает три главных постулата: различия в признаках всегда выражены среди особей в популяции; признаки разнообразны и способны передаваться по наследству из поколения в поколение, а некоторые из них предоставляют отдельным особям преимущество лучше, чем остальным адаптироваться, выжить и оставить потомство.

Несмотря на то, что Дарвин разработал свою теорию эволюции без каких-либо знаний о молекулярных основах жизни, в будущем установили, что эволюция представляет собой молекулярный процесс, основанный на генетической информации закодированной в ДНК, РНК и белках. На молекулярном уровне эволюция функционирует по тем же механизмам, что Дарвин наблюдал на видовом. Одна молекула подвергается диверсификации во многих вариантах. Один или несколько таких вариантов могут проявиться или усилиться во всей популяции. Данные изменения на молекулярном уровне характеризуются мутациями по типу делеции, вставки, инверсии или замены на уровне нуклеотидов.

Согласно современной теории эволюции, у всех организмов на Земле есть общий предок, что подразумевает связь среди любых живущих или вымерших видов. Это соотношение называется филогенез или филогения, представленная в виде филогенетических древ, отражающих эволюционную историю. Древа строятся за счет выборки элементарных единиц сравнения и характеризующих их характеристик: морфологических, физиологических, молекулярных и тд.

«Дерево жизни» демонстрирует филогенез всех организмов, живых и вымерших. Более специализированные виды филогенетических древ используются для поддержки сравнительных исследований, тестирования биогеографических гипотез, оценки режима и сроков видообразования, выведения аминокислотной последовательности белков вымерших существ, отслеживания эволюции болезней и даже представления доказательств в уголовных делах (генетическая дактилоскопия).

Любой живой организм содержит ДНК, РНК и белки. Близкородственных существ объединяет высокая степень совпадения последовательностей макромолекул, у отдаленных таксонов расхождение заметно сильнее, и в большинстве случаев последовательность неодинаковая. Консервативные участки митохондриальной ДНК могут накапливать мутации с течением времени, константа скорости мутаций открывает предпосылки для создания «часов», необходимых при датировки дивергенции, определения общего предка и возникновения всех групп от него.

Сравнение гомологичных последовательностей для генов с помощью метода выравнивания в ходе выявления сходства, наиболее распространенный подход в молекулярной филогенетике. Иное применение отражено в ДНК-штрихкодировании, где вид организма определяется за счет небольших участков ДНК митохондрий или хлоропластов. Бейсовский вывод, метод максимальной парсимонии, максимального правдоподобия и др. – неотъемлемая часть филогенетических исследований.

Молекулярная филогенетика по сути является кладистическим анализом, построенным на комплексе четырех важных теоретических принципов:

- принцип строгой монофилии;

- принцип синапоморфии;

- принцип сестринских групп;

- принцип парсимонии.

Недавнее открытие обширного горизонтального переноса генов между организмами усложняет молекулярную филогенетику, доказывая, что пути филогенеза разных генов в одном организме отличны.

Молекулярная филогенетика – широкая и содержательная дисциплина с использованием вычислительных и статистических методов при построении эволюционных древ. Быстрорастущие объемы доступных геномных данных делают молекулярную филогенетику значимым компонентом многих биологических областей. Генетические исследования по содержанию генов, сохранению последовательности, экспрессии, регуляторным сетям, метаболическим путям, функциональной аннотации геномов отлично вписываются в работу статистического филогенетического анализа.

Молекулярная филогенетика стала неотъемлемой частью биологических исследований, разработки фармацевтических препаратов, методов биоинформатики прогнозирования структуры белка и множественного выравнивания последовательностей.

Дополнительная информация:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21122/

http://ashipunov.info/shipunov/school/books/pavlinov2005_vvedenie_v_phyl.pdf

Комментарии: