Nästan neutral teori om molekylär evolution

Den nästan neutrala teorin om molekylär evolution är en modifiering av den neutrala teorin om molekylär evolution som förklarar det faktum att inte alla mutationer antingen är så skadliga att de kan ignoreras eller neutrala. Något skadliga mutationer rensas tillförlitligt endast när deras selektionskoefficient är större än en dividerad med den effektiva populationsstorleken . I större populationer överstiger en högre andel mutationer denna tröskel för vilken genetisk drift inte kan övermanna urvalet, vilket leder till färre fixeringshändelser och därmed långsammare molekylär evolution.

Den nästan neutrala teorin föreslogs av Tomoko Ohta 1973. Den populationsstorleksberoende tröskeln för att rensa mutationer har kallats "driftbarriären" av Michael Lynch , och används för att förklara skillnader i genomisk arkitektur mellan arter.

Ursprunget till den nästan neutrala teorin

Enligt den neutrala teorin om molekylär evolution, bör hastigheten med vilken molekylära förändringar ackumuleras mellan arter vara lika med hastigheten för neutrala mutationer och därmed relativt konstant över arterna. Detta är dock en ränta per generation. Eftersom större organismer har längre generationstider , förutspår den neutrala teorin att deras molekylära utvecklingshastighet bör vara långsammare. Emellertid fann molekylära evolutionister att hastigheten för proteinutveckling var ganska oberoende av generationstid.

Tomoko Ohta noterade att populationsstorleken i allmänhet är omvänt proportionell mot generationstiden, och föreslog att om de flesta aminosyrasubstitutioner är något skadliga, skulle detta öka graden av effektivt neutral mutationshastighet i små populationer, vilket skulle kunna kompensera effekten av långa generationstider. Men eftersom icke-kodande DNA- substitutioner tenderar att vara mer neutrala, oberoende av populationsstorlek, förutsägs deras utvecklingshastighet korrekt bero på populationsstorlek / generationstid, till skillnad från hastigheten för icke-synonyma förändringar.

I det här fallet kompenseras den snabbare neutrala utvecklingen av proteiner som förväntas i små populationer (på grund av en mildare tröskel för att rensa ut skadliga mutationer) av längre generationstider (och vice versa), men i stora populationer med kort generationstid, icke-kodande DNA utvecklas snabbare medan proteinutvecklingen fördröjs av selektion (vilket är viktigare än drift för stora populationer) 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.

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, eftersom 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.

Teori

Sannolikheten för fixering beror starkt på s för skadliga mutationer (observera log-skalan på y-axeln) i förhållande till det neutrala fallet s=0. Streckade linjer visar sannolikheten för fixering av en mutation med s=-1/N. Observera att större populationer har mer skadliga mutationer (ej illustrerad).

Sannolikheten för fixering av fördelaktiga mutationer är ganska okänslig för N. Observera att större populationer har mer fördelaktiga mutationer (ej illustrerad).

Substitutionshastigheten, $\rho$ är

$\rho =ugN_{e}{\bar {P}}_{fix}$ ,

där $u$ är mutationshastigheten, $g$ är generationstiden och $N_{e}$ är den effektiva populationsstorleken. Den sista termen är sannolikheten att en ny mutation fixeras . Tidiga modeller antog att $u$ är konstant mellan arter, och att $g$ ökar med $N_{e}$ . Kimuras ekvation för sannolikheten för fixering i en haploid population ger:

$P_{fix}={\frac {1-e^{-s}}{1-e^{-sN_{e}} }}$ ,

där $s$ är selektionskoefficienten för en mutation. När $|s|\ll {\frac {1}{N_{e}}}$ (helt neutral), $P_{fix}={\frac {1}{N_{e}}}$ , och när $-s\gg {\frac {1}{N_{e}}}$ (extremt skadligt), $P_{fix}$ minskar nästan exponentiellt med $N_{e}$ . Mutationer med $-s\simeq {\frac {1}{N_{e}}}$ kallas nästan neutrala mutationer. Dessa mutationer kan fixeras i små $N_{e}$ populationer genom genetisk drift . I stora $N_{e}$ populationer rensas dessa mutationer genom selektion. Om nästan neutrala mutationer är vanliga, är andelen för vilken $P_{fix}\ll {\frac {1}{N_{e}}}$ beroende av ${\ displaystil N_{e}}$

Effekten av nästan neutrala mutationer kan bero på fluktuationer i $s$ . Tidigt arbete använde en "skiftmodell" där $s$ kan variera mellan generationer men befolkningens medelkondition återställs till noll efter fixering. Detta förutsätter i princip att fördelningen av $s$ är konstant (i denna mening kan argumentet i de föregående styckena betraktas som baserat på "skiftmodellen"). Detta antagande kan leda till obestämd förbättring eller försämring av proteinfunktionen. Alternativt fixar den senare "fixade modellen" fördelningen av mutationers effekt på proteinfunktionen, men tillåter befolkningens medelkondition att utvecklas. Detta gör att fördelningen av $s$ ändras med befolkningens genomsnittliga kondition.

Den "fasta modellen" ger en något annorlunda förklaring till hastigheten för proteinutvecklingen. I stora $N_{e}$ populationer plockas fördelaktiga mutationer snabbt upp genom selektion, vilket ökar populationens medelkondition. Som svar reduceras mutationshastigheten för nästan neutrala mutationer eftersom dessa mutationer är begränsade till svansen av fördelningen av selektionskoefficienter.

Den "fasta modellen" utökar den nästan neutrala teorin. Tachida klassificerade evolution under den "fasta modellen" baserat på produkten av $N_{e}$ och variansen i fördelningen av $s$ : en stor produkt motsvarar adaptiv evolution, en mellanprodukt motsvarar till nästan neutral evolution, och en liten produkt motsvarar nästan neutral evolution. Enligt denna klassificering kan något fördelaktiga mutationer bidra till nästan neutral evolution.

Teorin om "driftbarriären".

Michael Lynch har föreslagit att variation i förmågan att rensa bort något skadliga mutationer (dvs variation i $N_{e}$ ) kan förklara variationen i genomisk arkitektur mellan arter, t.ex. storleken på genomet eller mutationshastigheten. Specifikt kommer större populationer att ha lägre mutationshastigheter, mer strömlinjeformade genomiska arkitekturer och generellt mer finjusterade anpassningar. Men om robusthet mot konsekvenserna av varje eventuellt fel i processer som transkription och översättning avsevärt minskar kostnaden för att göra sådana fel, kan större populationer utveckla lägre nivåer av global korrekturläsning och därmed ha högre felfrekvens. Detta kan förklara varför Escherichia coli har högre frekvens av transkriptionsfel än Saccharomyces cerevisiae . Detta stöds av det faktum att transkriptionella felfrekvenser i E. coli beror på proteinöverflöd (vilket är ansvarigt för att modulera den lokusspecifika styrkan för selektion), men gör det endast för C till U - deamineringsfel med hög felfrekvens i S cerevisiae .

Se även

• Den molekylära evolutionens historia

externa länkar

• The Nearly Neutral Theory of Molecular Evolution - Perspectives on Molecular Evolution