Den molekylära evolutionens historia

Del av en serie om
Evolutionsbiologi
Darwin's finches by Gould.jpg
Darwins finkar av John Gould
Processer och resultat
Naturhistoria
Evolutionsteorins historia
Fält och applikationer
Sociala konsekvenser

Historien om molekylär evolution börjar i början av 1900-talet med "jämförande biokemi", men fältet för molekylär evolution kom till sin rätt på 1960- och 1970-talen, efter uppkomsten av molekylärbiologi . Tillkomsten av proteinsekvensering gjorde det molekylär möjligt sekvensjämförelser för molekylärbiologer att skapa fylogenier baserade på och att använda skillnaderna mellan homologa sekvenser som en klocka för att uppskatta tiden sedan den senaste gemensamma förfadern. I slutet av 1960-talet gav den neutrala teorin om molekylär evolution en teoretisk grund för den molekylära klockan, även om både klockan och den neutrala teorin var kontroversiella, eftersom de flesta evolutionsbiologer höll fast vid panselektionism , med naturligt urval som den enda viktiga orsaken till evolutionär förändra. Efter 1970-talet tillät nukleinsyrasekvensering molekylär evolution att nå bortom proteiner till mycket konserverade ribosomala RNA- sekvenser, grunden för en rekonceptualisering av livets tidiga historia .

Tidig historia

Före uppkomsten av molekylärbiologi på 1950- och 1960-talen hade ett litet antal biologer undersökt möjligheterna att använda biokemiska skillnader mellan arter för att studera evolution . Alfred Sturtevant förutspådde förekomsten av kromosomala inversioner 1921 och med Dobzhansky konstruerade en av de första molekylära fylogenierna på 17 Drosophila Pseudo-obscura-stammar från ackumuleringen av kromosomala inversioner observerade från hybridiseringen av polyten [ kontrollera stavning ] . Ernest Baldwin arbetade mycket med jämförande biokemi med början på 1930-talet, och Marcel Florkin var pionjär med tekniker för att konstruera fylogenier baserade på molekylära och biokemiska karaktärer på 1940-talet. Det var dock inte förrän på 1950-talet som biologer utvecklade tekniker för att producera biokemiska data för den kvantitativa studien av molekylär evolution .

Den första forskningen om molekylär systematik baserades på immunologiska analyser och metoder för "fingerprinting" av proteiner. Alan Boyden - som bygger på immunologiska metoder från George Nuttall - utvecklade nya tekniker med början 1954, och i början av 1960-talet använde Curtis Williams och Morris Goodman immunologiska jämförelser för att studera primats fylogeni. Andra, som Linus Pauling och hans elever, tillämpade nyutvecklade kombinationer av elektrofores och papperskromatografi på proteiner som utsätts för partiell nedbrytning av matsmältningsenzymer för att skapa unika tvådimensionella mönster, vilket möjliggör finkorniga jämförelser av homologa proteiner.

Från och med 1950-talet experimenterade några naturforskare också med molekylära tillvägagångssätt - särskilt Ernst Mayr och Charles Sibley . Medan Mayr snabbt surnade på papperskromatografi, tillämpade Sibley framgångsrikt elektrofores på äggvitaproteiner för att reda ut problem inom fågeltaxonomien, och kompletterade det snart med DNA-hybridiseringstekniker - början på en lång karriär byggd på molekylär systematik .

Även om sådana tidiga biokemiska tekniker fann motvillig acceptans i biologisamfundet, påverkade de för det mesta inte de huvudsakliga teoretiska problemen med evolution och populationsgenetik. Detta skulle förändras när molekylärbiologin kastar mer ljus över geners fysiska och kemiska natur.

Genetisk belastning, den klassiska/balanskontroversen och mätningen av heterozygositet

Vid den tidpunkt då molekylärbiologin kom till sin rätt på 1950-talet fanns det en långvarig debatt – den klassiska/balanskontroversen – om orsakerna till heteros, den ökning av kondition som observerades när inavlade linjer korsas ut. 1950 James F. Crow två olika förklaringar (senare kallad den klassiska positionen och balanspositionen ) baserade på paradoxen som först formulerades av JBS Haldane 1937: effekten av skadliga mutationer på en populations genomsnittliga kondition beror endast på graden av mutationer (inte graden av skada som orsakas av varje mutation) eftersom mer skadliga mutationer elimineras snabbare genom naturligt urval, medan mindre skadliga mutationer finns kvar i befolkningen längre. HJ Muller kallade denna " genetisk belastning ".

Muller, motiverad av sin oro över effekterna av strålning på mänskliga populationer, hävdade att heteros främst är resultatet av skadliga homozygota recessiva alleler, vars effekter maskeras när separata linjer korsas - detta var dominanshypotesen, en del av vad Dobzhansky märkt den klassiska positionen . Således producerar joniserande strålning och de resulterande mutationerna avsevärd genetisk belastning även om död eller sjukdom inte inträffar i den exponerade generationen, och i frånvaro av mutation kommer naturligt urval gradvis att öka nivån av homozygositet. Bruce Wallace , som arbetade med JC King , använde överdominanshypotesen för att utveckla balanspositionen , vilket lämnade en större plats för överdominans (där det heterozygota tillståndet för en gen är mer passande än de homozygota tillstånden). I så fall är heteros helt enkelt resultatet av det ökade uttrycket av heterozygotfördel . Om överdominanta loci är vanliga, skulle en hög nivå av heterozygositet bli resultatet av naturligt urval, och mutationsinducerande strålning kan faktiskt underlätta en ökning av konditionen på grund av överdominans. (Detta var också Dobzhanskys uppfattning.)

Debatten fortsatte under 1950-talet och blev gradvis ett centralt fokus för populationsgenetik. En 1958 studie av Drosophila av Wallace föreslog att strålningsinducerade mutationer ökade livsdugligheten hos tidigare homozygota flugor, vilket gav bevis för heterozygota fördelar och balanspositionen; Wallace uppskattade att 50% av loki i naturliga Drosophila- populationer var heterozygota. Motoo Kimuras efterföljande matematiska analyser förstärkte vad Crow hade föreslagit 1950: att även om överdominerande loci är sällsynta, kan de vara ansvariga för en oproportionerligt stor genetisk variation. Följaktligen kom Kimura och hans mentor Crow ner på sidan av den klassiska positionen. Ytterligare samarbete mellan Crow och Kimura ledde till modellen med oändliga alleler , som kunde användas för att beräkna antalet olika alleler som förväntas i en population, baserat på populationsstorlek, mutationshastighet och om de muterade allelerna var neutrala, överdominanta eller skadliga. Således erbjöd den oändliga allelmodellen ett potentiellt sätt att välja mellan den klassiska positionen och balanspositionen, om korrekta värden för nivån av heterozygositet kunde hittas.

I mitten av 1960-talet tillhandahöll teknikerna för biokemi och molekylärbiologi - i synnerhet proteinelektrofores - ett sätt att mäta nivån av heterozygositet i naturliga populationer: ett möjligt sätt att lösa den klassiska/balanskontroversen. År 1963 Jack L. Hubby en elektroforesstudie av proteinvariation i Drosophila ; strax efter började Hubby samarbeta med Richard Lewontin för att tillämpa Hubbys metod på klassisk/balanskontroversen genom att mäta andelen heterozygota loci i naturliga populationer. Deras två landmärken, publicerade 1966, fastställde en betydande nivå av heterozygositet för Drosophila (i genomsnitt 12 %). Dessa fynd visade sig dock vara svåra att tolka. De flesta populationsgenetiker (inklusive Hubby och Lewontin) avvisade möjligheten till utbredda neutrala mutationer; förklaringar som inte involverade selektion var anathema till mainstream evolutionär biologi. Hubby och Lewontin uteslöt också heterozygota fördelar som den främsta orsaken på grund av segregationsbelastningen det skulle medföra, även om kritiker hävdade att fynden faktiskt passar bra med överdominanshypotesen.

Proteinsekvenser och den molekylära klockan

Medan evolutionära biologer preliminärt förgrenade sig till molekylärbiologi, vände molekylärbiologer snabbt sin uppmärksamhet mot evolution.

Efter att ha utvecklat grunderna för proteinsekvensering med insulin mellan 1951 och 1955, hade Frederick Sanger och hans kollegor publicerat en begränsad jämförelse mellan olika arter av insulinsekvensen 1956. Francis Crick , Charles Sibley och andra insåg potentialen för att använda biologiska sekvenser för att konstruera fylogenier, även om få sådana sekvenser ännu var tillgängliga. I början av 1960-talet hade tekniker för proteinsekvensering kommit så långt att direkt jämförelse av homologa aminosyrasekvenser var möjlig. 1961 Emanuel Margoliash och hans medarbetare sekvensen för hästcytokrom c (ett längre och mer utbrett protein än insulin), följt i kort ordning av ett antal andra arter.

1962 föreslog Linus Pauling och Emile Zuckerkandl att man skulle använda antalet skillnader mellan homologa proteinsekvenser för att uppskatta tiden sedan divergensen, en idé som Zuckerkandl hade skapat runt 1960 eller 1961. Detta började med Paulings långvariga forskningsfokus, hemoglobin , som höll på att bli sekvenserad av Walter Schroeder ; sekvenserna stödde inte bara den accepterade ryggradsdjursfylogenin, utan också hypotesen (föreslogs först 1957) att de olika globinkedjorna inom en enda organism också kunde spåras till ett gemensamt förfädersprotein. Mellan 1962 och 1965 förfinade och utvecklade Pauling och Zuckerkandl denna idé, som de kallade den molekylära klockan , och Emil L. Smith och Emanuel Margoliash utökade analysen till cytokrom c. Tidiga molekylära klockberäkningar stämde ganska väl överens med etablerade divergenstider baserat på paleontologiska bevis. Den väsentliga idén med den molekylära klockan – att enskilda proteiner utvecklas i regelbunden takt oberoende av en arts morfologiska utveckling – var extremt provocerande (som Pauling och Zuckerkandl avsåg att det skulle vara).

De "molekylära krigen"

Från början av 1960-talet sågs molekylärbiologi alltmer som ett hot mot den traditionella kärnan av evolutionsbiologin. Etablerade evolutionära biologer – särskilt Ernst Mayr , Theodosius Dobzhansky och GG Simpson , tre av grundarna av den moderna evolutionära syntesen på 1930- och 1940-talen – var extremt skeptiska till molekylära tillvägagångssätt, särskilt när det gällde kopplingen (eller bristen därav) till naturliga urval . Molekylär evolution i allmänhet - och den molekylära klockan i synnerhet - erbjöd liten grund för att utforska evolutionära orsakssamband. Enligt den molekylära klockhypotesen utvecklades proteiner väsentligen oberoende av de miljömässigt bestämda selektionskrafterna; detta var skarpt i strid med den panselektionism som rådde vid den tiden. Dessutom var Pauling, Zuckerkandl och andra molekylärbiologer allt mer djärva när de hävdade betydelsen av "informationsmakromolekyler" (DNA, RNA och proteiner) för alla biologiska processer, inklusive evolution. Kampen mellan evolutionsbiologer och molekylärbiologer – där varje grupp upprätthåller sin disciplin som centrum för biologin som helhet – kallades senare för "molekylära krigen" av Edward O. Wilson , som själv upplevde dominansen av sin biologiavdelning av unga molekylärbiologer i slutet av 1950-talet och 1960-talet.

1961 började Mayr argumentera för en tydlig distinktion mellan funktionell biologi (som tog hänsyn till närliggande orsaker och ställde "hur"-frågor) och evolutionär biologi (som övervägde yttersta orsaker och ställde "varför"-frågor) Han hävdade att både discipliner och individuella vetenskapsmän kunde vara klassificeras på antingen den funktionella eller evolutionära sidan, och att de två synsätten på biologi var komplementära. Mayr, Dobzhansky, Simpson och andra använde denna distinktion för att argumentera för den fortsatta relevansen av organismbiologi, som snabbt tappade mark till molekylärbiologi och relaterade discipliner i konkurrensen om finansiering och universitetsstöd. Det var i det sammanhanget som Dobzhansky först publicerade sitt berömda uttalande, " ingenting i biologin är vettigt utom i ljuset av evolutionen ", i en artikel från 1964 som bekräftade vikten av organismbiologi inför det molekylära hotet; Dobzhansky karakteriserade de molekylära disciplinerna som " kartesiska " (reduktionistiska) och organismdisciplinerna som " darwinistiska ".

Mayr och Simpson deltog i många av de tidiga konferenserna där molekylär evolution diskuterades, och kritiserade vad de såg som de alltför förenklade metoderna för den molekylära klockan. Den molekylära klockan, baserad på enhetliga hastigheter av genetisk förändring som drivs av slumpmässiga mutationer och drift, verkade oförenlig med de varierande evolutionshastigheterna och miljöstyrda adaptiva processer (som adaptiv strålning ) som var bland nyckelutvecklingen av den evolutionära syntesen. Vid Wenner-Gren-konferensen 1962, 1964 Colloquium on the Evolution of Blood Proteins i Brygge , Belgien , och 1964 Conference on Evolving Genes and Proteins vid Rutgers University , engagerade de sig direkt med molekylärbiologerna och biokemisterna i hopp om att behålla den centrala plats för darwinistiska förklaringar i evolutionen när dess studie spred sig till nya områden.

Gencentrerad syn på evolution

Även om det inte var direkt relaterat till molekylär evolution, såg mitten av 1960-talet också uppkomsten av den gencentrerade synen på evolution, sporrad av George C. Williams Adaptation and Natural Selection (1966). Debatt över urvalsenheter , särskilt kontroversen över gruppurval , ledde till ökat fokus på individuella gener (snarare än hela organismer eller populationer) som den teoretiska grunden för evolution. Det ökade fokuset på gener innebar dock inte fokus på molekylär evolution; i själva verket adaptationismen som främjades av Williams och andra evolutionsteorier ytterligare de uppenbarligen icke-adaptiva förändringarna som studerats av molekylära evolutionister.

Den neutrala teorin om molekylär evolution

Ytterligare information: Neutral teori om molekylär evolution

Det intellektuella hotet från molekylär evolution blev mer explicit 1968, när Motoo Kimura introducerade den neutrala teorin om molekylär evolution . Baserat på tillgängliga molekylära klockstudier (av hemoglobin från en mängd olika däggdjur, cytokrom c från däggdjur och fåglar, och triosefosfatdehydrogenas från kaniner och kor), beräknade Kimura (assisterad av Tomoko Ohta ) en genomsnittlig DNA-substitutionshastighet för en bas parförändring per 300 baspar (som kodar för 100 aminosyror) per 28 miljoner år. För däggdjursgenom indikerade detta en substitutionshastighet på en vart 1,8:e år, vilket skulle ge en ohållbart hög substitutionsbelastning om inte övervikten av substitutioner var selektivt neutrala. Kimura hävdade att neutrala mutationer förekommer mycket ofta, en slutsats som är förenlig med resultaten av de elektroforetiska studierna av proteinheterozygositet. Kimura tillämpade också sitt tidigare matematiska arbete på genetisk drift för att förklara hur neutrala mutationer kunde komma till fixering , även i frånvaro av naturligt urval; han övertygade snart James F. Crow om den potentiella kraften hos neutrala alleler och genetisk drift också.

Kimuras teori – som bara beskrivs kortfattat i ett brev till Nature – följdes kort efter med en mer omfattande analys av Jack L. King och Thomas H. Jukes – som gav titeln sin första artikel om ämnet " icke-darwinistisk evolution ". Även om King och Jukes producerade mycket lägre uppskattningar av substitutionshastigheter och den resulterande genetiska belastningen vid icke-neutrala förändringar, var de överens om att neutrala mutationer som drivs av genetisk drift var både verkliga och signifikanta. De ganska konstanta utvecklingshastigheterna som observerades för individuella proteiner var inte lätt att förklara utan att åberopa neutrala substitutioner (även om GG Simpson och Emil Smith hade försökt). Jukes och King fann också en stark korrelation mellan frekvensen av aminosyror och antalet olika kodon som kodar för varje aminosyra. Detta pekade på substitutioner i proteinsekvenser som till stor del produkten av slumpmässig genetisk drift.

King och Jukes' papper, särskilt med den provocerande titeln, sågs som en direkt utmaning mot den vanliga neodarwinismen, och den förde molekylär evolution och den neutrala teorin till centrum för evolutionsbiologin. Det gav en mekanism för den molekylära klockan och en teoretisk grund för att utforska djupare frågor om molekylär evolution, såsom förhållandet mellan evolutionens hastighet och funktionell betydelse. Framväxten av den neutrala teorin markerade syntesen av evolutionsbiologi och molekylärbiologi – även om den var ofullständig.

Med sitt arbete på fastare teoretiskt underlag grundade Emile Zuckerkandl och andra molekylära evolutionister 1971 Journal of Molecular Evolution .

Den neutralist-selektionistiska debatten och nästan neutralitet

De kritiska svaren på den neutrala teorin som snart dök upp markerade början på den neutralist-selektionistiska debatten . Kort sagt, selektionister såg naturligt urval som den primära eller enda orsaken till evolution, även på molekylär nivå, medan neutralister ansåg att neutrala mutationer var utbredda och att genetisk drift var en avgörande faktor i evolutionen av proteiner. Kimura blev den mest framstående försvararen av den neutrala teorin - vilket skulle vara hans huvudfokus under resten av hans karriär. Med Ohta fokuserade han om sina argument på den hastighet med vilken drift kunde fixa nya mutationer i ändliga populationer, betydelsen av konstanta proteinutvecklingshastigheter och de funktionella begränsningarna för proteinevolution som biokemister och molekylärbiologer hade beskrivit. Även om Kimura till en början hade utvecklat den neutrala teorin delvis som en utväxt av den klassiska positionen inom klassisk/balanskontroversen (som förutspådde hög genetisk belastning som en konsekvens av icke-neutrala mutationer), betonade han gradvis sitt ursprungliga argument att segregationsbelastningen skulle vara omöjligt hög utan neutrala mutationer (vilket många selektionister, och till och med andra neutralister King och Jukes, förkastade).

Från 1970-talet till början av 1980-talet kunde både selektionister och neutralister förklara de observerade höga nivåerna av heterozygositet i naturliga populationer, genom att anta olika värden för okända parametrar. Tidigt i debatten fokuserade Kimuras elev Tomoko Ohta på interaktionen mellan naturligt urval och genetisk drift, vilket var signifikant för mutationer som inte var strikt neutrala, men nästan så. I sådana fall skulle selektion konkurrera med drift: de flesta lätt skadliga mutationer skulle elimineras genom naturligt urval eller slumpen; vissa skulle övergå till fixering genom drift. Beteendet hos denna typ av mutation, beskrivet av en ekvation som kombinerade matematiken i den neutrala teorin med klassiska modeller, blev grunden för Ohtas nästan neutrala teori om molekylär evolution .

År 1973 publicerade Ohta ett kort brev i Nature som antydde att en mängd olika molekylära bevis stödde teorin att de flesta mutationshändelser på molekylär nivå är något skadliga snarare än strikt neutrala. Molekylära evolutionister fann att även om hastigheten för proteinutvecklingen (i överensstämmelse med den molekylära klockan ) var ganska oberoende av generationstid , var hastigheten för icke-kodande DNA- divergens omvänt proportionell mot generationstiden. Tomoko Ohta noterade att populationsstorleken i allmänhet är omvänt proportionell mot generationstiden, och föreslog att de flesta aminosyrasubstitutioner är något skadliga medan icke-kodande DNA-substitutioner är mer neutrala. I det här fallet kompenseras den snabbare hastigheten av neutral utveckling i proteiner som förväntas i små populationer (på grund av genetisk drift) av längre generationstider (och vice versa), men i stora populationer med kort generationstid utvecklas icke-kodande DNA snabbare medan proteinutveckling fördröjs av urval (vilket är viktigare än drift för stora populationer).

Mellan då och början av 1990-talet använde många studier av molekylär evolution en "skiftmodell" där den negativa effekten på en populations kondition på grund av skadliga mutationer skiftar tillbaka till ett ursprungligt värde när en mutation når fixering. I början av 1990-talet utvecklade Ohta en "fast modell" som inkluderade både fördelaktiga och skadliga mutationer, så att ingen artificiell "förskjutning" av den totala befolkningens kondition var nödvändig. Enligt Ohta föll emellertid den nästan neutrala teorin till stor del i onåd i slutet av 1980-talet, på grund av den matematiskt enklare neutrala teorin för den utbredda molekylära systematikforskningen som blomstrade efter tillkomsten av snabb DNA-sekvensering . När mer detaljerade systematikstudier började jämföra utvecklingen av genomregioner som är föremål för stark selektion kontra svagare selektion på 1990-talet, har den nästan neutrala teorin och samspelet mellan selektion och drift återigen blivit ett viktigt fokus för forskning.

Mikrobiell fylogeni

Medan tidigt arbete inom molekylär evolution fokuserade på lätt sekvenserade proteiner och relativt ny evolutionär historia, i slutet av 1960-talet drev några molekylärbiologer vidare mot basen av livets träd genom att studera mycket konserverade nukleinsyrasekvenser. Carl Woese , en molekylärbiolog vars tidigare arbete handlade om den genetiska koden och dess ursprung, började använda små ribosomala RNA-subenheter för att omklassificera bakterier genom genetisk (snarare än morfologisk) likhet. Arbetet gick långsamt till en början, men accelererade när nya sekvenseringsmetoder utvecklades på 1970- och 1980-talen. År 1977 meddelade Woese och George Fox att vissa bakterier, såsom metanogener , saknade de rRNA-enheter som Woeses fylogenetiska studier baserades på; de hävdade att dessa organismer faktiskt var tillräckligt åtskilda från konventionella bakterier och de så kallade högre organismerna för att bilda sitt eget rike, som de kallade arkebakterier . Även om det var kontroversiellt till en början (och utmanades igen i slutet av 1990-talet) , blev Woeses arbete grunden för det moderna tredomänsystemet Archaea , Bacteria och Eukarya (ersätter det femdomänsystem som hade dykt upp på 1960-talet).

Arbetet med mikrobiell fylogeni förde också molekylär evolution närmare cellbiologi och forskning om livets ursprung . Skillnaderna mellan archaea pekade på betydelsen av RNA i livets tidiga historia. I sitt arbete med den genetiska koden hade Woese föreslagit att RNA-baserat liv hade föregått de nuvarande formerna av DNA-baserat liv, liksom flera andra före honom - en idé som Walter Gilbert senare skulle kalla "RNA - världen " . I många fall producerade genomikforskning på 1990-talet fylogenier som motsäger de rRNA-baserade resultaten, vilket ledde till ett erkännande av utbredd lateral genöverföring över distinkta taxa. I kombination med det troliga endosymbiotiska ursprunget för organellfyllda eukarya, pekade detta på en mycket mer komplex bild av livets ursprung och tidiga historia, en bild som kanske inte går att beskriva i de traditionella termerna av gemensamma anor.

Anteckningar

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=History_of_molecular_evolution&oldid=1137506489 "