שעון מולקולרי

שעון מולקולרי, או שעון גני, המבוסס על היפותזת השעון המולקולרי (ובקיצור MCH), הוא טכניקה במחקר גנטי המאפשרת לתארך את המועד בו התפצלו שני מינים מאב קדמון משותף. הטכניקה מבוססת על זיהוי מועד היווצרות השינויים הקטנים בין שני רצפי ה-DNA של המינים. המושג "שעון מולקולרי" יוחס לראשונה לאמיל צוקרקנדל ולינוס פאולינג, אשר הבחינו בשנת 1962, כי מספר ההבדלים בחומצות אמינו בהמוגלובין בין שתי שושלות יוחסין פרופורציונליים בקירוב לזמן התפצלותם מאב קדמון משותף, כפי שהוערך מעדויות מאובנים. הם הכלילו מתצפית זאת וטענו כי קצב השינוי האבולוציוני של כל חלבון הוא קבוע בקירוב. המושג יושם גם לאבולוציה של רצפי DNA, ובמיוחד לאבולוציה נייטרלית. מאוחר יותר, התבססו אלן ווילסון ווינסנט סאריץ' על מחקר זה ועל מחקרו של מוטו קימורה (1968), צפו וסיפקו ניסוח פורמלי לכך שטעויות ספונטניות בשכפול DNA גורמות למוטציות שמניעות את האבולוציה המולקולרית, וכי ההצטברות של הבדלים אבולוציוניים "נייטרליים" בין שני הרצפים עשוי להיות בסיס למדידת זמן, אם קצב הטעויות בשכפול ה-DNA ניתן לכיול. שיטה אחת לכיול קצב הטעויות היא השוואת זוגות של קבוצות מינים חיים שתאריך ההיפרדות שלהם כבר ידוע כתוצאה מתיעוד של מאובנים. במקור, ההנחה הייתה ששיעור הטעויות בהכפלת DNA הוא קבוע – לא רק בזמן, אלא גם בכל המינים ובכל חלק של הגנום. מכיוון שהאנזימים שמכפילים את ה-DNA נבדלים מעט מאוד בין מינים שונים, ההנחה נראתה הגיונית. הנחה זו התבררה מאוחר יותר כשגויה, כיוון שהיא מתעלמת מגורמים נוספים המשפיעים על קצב השינוי. לו פולינג או צוקרקנדל היו ביולוגים אבולוציוניים במקום ביולוגים ניסויים (או במקרה של פולינג, כלל לא ביולוג), סביר להניח שטעות זו הייתה מושכת את תשומת לבם. תחומי המחקר ביולוגיה אבולוציונית ומולקולרית היו רחוקים מדי זה מזה בתקופתם, מה שגרם לכך שההנחה השגויה נתפסה כנכונה תקופה ארוכה עד שהחלו להתברר ממדי הטעות. ככל שהראיות המולקולריות הצטברו, הנחת הקצב הקבוע הוכחה כשגויה. למרות זאת, הנחת ה-MCH מהווה קירוב טוב במקרים פרטיים רבים, וניתן לבחון את הדיוק של שעונים מולקולריים אינדיבידואליים ולעשות בהם שימוש במקרים רבים. התיקון להנחה המקורית הוא בצורך לכייל את השעון המולקולרי בכל מקרה פרטי בעזרת עדויות חומריות כגון מאובנים, לפני שניתן לבסס עליהם מסקנות חזקות. המאובנים עצמם מתוארכים על ידי תארוך רדיומטרי של מספר צמדי איזוטפים שונים. מאז ראשית שנות התשעים של המאה ה-20 תוארו דוגמאות של שיעורים לא אחידים של אבולוציה מולקולרית. בהנחה שמדובר במקרה של הרבה טקסונים, נמצא כי אין שיעור אחיד של אבולוציה מולקולרית, אפילו לא בתקופות זמן קצרות השוואתיות מבחינה אבולוציונית. נראה כי ליסעוראים יש שעון מולקולרי שבממוצע מתקדם בחצי מהירות ביחס לציפורים אחרות, ככל הנראה בגלל זמני דור ארוכים, ולהרבה צבים יש שעון מולקולרי שמתקדם בשמינית מהירות לעומת יונקים קטנים. סביר להניח שהשפעות של אוכלוסייה קטנה מבלבלות גם כן את הניתוח של השעון המולקולרי; לדוגמה, האבולוציה של הברדלס, שעברה 2 צווארי בקבוק של אוכלוסייה, לא ניתנת לבדיקה תוך התבססות על מודל השעון המולקולרי. חוקרים כמו איילה והאנתרופולוג ג'פרי ה. שוורץ אתגרו את היפותזת השעון המולקולרי ברמה יסודית יותר. לפי מחקרו של איילה משנת 1999, ישנם 5 גורמים המתחברים זה אל זה ומערערים את המודל הסטנדרטי של השעון המולקולרי: זמני דור משתנים - מוטציה מתקבעת בדרך כלל רק מדור אחד לאחר. ככל שפרק הזמן הזה קצר יותר, כך יותר מוטציות מתקבעות גודל האוכלוסייה - מלבד ההשפעות של גודל אוכלוסייה קטן, המגוון הגנטי יגיע לנקודת שפל ככל שהאוכלוסיות יגדלו כיוון שהיתרון הכשירותי של כל מוטציה בודדת יקטן הבדלים תלויי מין בעקבות מטבוליזם שונה, אקולוגיה, היסטוריה אבולוציונית וכדומה תפקודים מתפתחים של החלבונים המקודדים - יכולים להשתפר על ידי ניצול רצפי DNA לא מקודדים או הדגשת מוטציות שקטות שינויים בעוצמה של הברירה הטבעית משתמשים בשעון המולקולרי פיתחו פתרונות עוקפים תוך שימוש במספר גישות סטטיסטיות כולל טכניקות של נראות מקסימלית ומאוחר יותר במודל של חוק בייס. בפרט, מודלים שלוקחים בחשבון שינויים בקצב לרוחב אילנות יוחסין הוצעו על מנת להשיג הערכות טובות יותר של זמן ההתפלגות ופרמטרים אחרים שניתן להעריך מקצבי ההחלפה, כגון גודל האוכלוסייה האפקטיבי (אנ'). מודלים אלה מכונים "שעונים מולקולריים רגועים". מודלים אלו, הנשענים על מדגם של מידע הטרו-כרונומטרי מהרצף, פותחו מפילוגנזה של נגיפים ומחקרים של DNA עתיק, שני תחומים של הביולוגיה האבולוציונית בהם ניתן לדגום רצפים בקנה מידה אבולוציוני, ובכך לספק מידע מכייל נוסף על זה המסופק בדרך כלל על ידי תיעוד המאובנים. מודלים אלו מכונים "מודלים של שעון רגוע" כיוון שהם מייצגים עמדת ביניים בין היפותזת השעון המולקולרי "הקשוחה" ומודל השיעורים המרובים של פלסנסטיין, והם מתאפשרים דרך שימוש בטכניקות הסטטיסטיות של שרשרת מרקוב ושיטת מונטה קרלו (MCMC) החוקרות טווח נרחב של טופולוגיות עצים ומעריכות פרמטרים של מודל ההחלפה הנרחב. גם מודלים אלו עדיין מבוססים על מסקנות סטטיסטיות ולא על ראיות ישירות ולפיכך, מבחינה מדעית אפילו שעון מולקולרי רגוע יכול רק לאשש אבל אף פעם לא "להוכיח" היפותזה. לבעיה זו ניגשים באמצעות שימוש בתיעוד מאובנים, שהוא בדרך כלל מספיק טוב ומתועד באופן מספיק כדי לספק ראיות מוצקות, על מנת לכייל את השעון המולקולרי בהתאם. מצד שני, בחקר האבולוציה של פתוגן או מחקרים של DNA עתיק, ניתן לעשות שימוש בדגימות סדרתיות. טכניקת השעון המולקולרי היא כלי חשוב בסיסטמטיקה מולקולרית, שהיא שימוש של מידע מגנטיקה מולקולרית על מנת לקבוע את הסיווג המדעי הנכון של אורגניזם. ידיעת שיעור האבולוציה המולקולרית הקבוע-בקירוב בסדרות מסוימות של אילנות יוחסין מקלה על קביעת מאורעות פילוגנטיים שאינם מתועדים על ידי מאובנים, למשל התפלגויות של מינים שקיימים בימינו, והיצירה של העץ הפילוגנטי. אבל במקרים אלה – בייחוד במקרים של טווחי זמן ארוכים – השעון המולקולרי עשוי להיות חסר תועלת לשימושים מעשיים; הערכות כאלה הן בדרך כלל גסות, עם טווח שגיאה המגיע עד 50%. Avise, John C.; Bowen, Brian W.; Lamb, Trip; Meylan, Anne B. & Bermingham, Eldredge (1992): Mitochondrial DNA Evolution at a Turtle's Pace: Evidence for Low Genetic Variability and Reduced Microevolutionary Rate in the Testudines. Molecular Biology and Evolution 9(3): 457-473. PDF fulltext Ayala, Francisco J. (1999): Molecular clock mirages. BioEssays 21(1): 71-75. HTML abstract Douzery, Emmanuel J. P.; Delsuc, Frederic; Stanhope, M. J. & Huchon, D. (2003): Local molecular clocks in three nuclear genes: divergence times for rodents and other mammals, and incompatibility among fossil calibrations. Journal of Molecular Evolution 57(Supplement 1): S201-S213. Drummond AJ, Ho SYW, Phillips MJ & Rambaut A (2006). Relaxed Phylogenetics and Dating with Confidence. PLoS Biology 4(5):e88 [1] Hunt, Jeffrey S.; Bermingham, Eldredge; & Ricklefs, Robert E. (2001): Molecular systematics and biogeography of Antillean thrashers, tremblers, and mockingbirds (Aves: Mimidae). (journal)Auk 118(1): 35–55. HTML fulltext without images Motoo Kimura (1968): Evolutionary Rate at the Molecular Level. Nature (journal) 217: PDF fulltext Lovette, Irby J. (2004): Mitochondrial dating and mixed support for the "2% Rule" in birds. Auk (journal) 121(1): 1-6. Morgan, Gregory J. (1998): Emile Zuckerkandl, Linus Pauling, and the Molecular Evolutionary Clock, 1959-1965. Journal of the History of Biology 31(2): 155-178. Rheindt, F. E. & Austin, J., (2005): Major analytical and conceptual shortcomings in a recent taxonomic revision of the Procellariiformes - A reply to Penhallurick and Wink (2004). Emu (journal) 105(2): 181-186. PDF fulltext Vincent Sarich & Allan Wilson (1967): Immunological time scale for hominid evolution. Science (journal) 158(3805): 1200-1203. (HTML abstract) Emile Zuckerkandl & Linus Pauling (1962): Molecular disease, evolution, and genetic heterogeneity. In: Kasha, M. & Pullman, B. (editors): Horizons in Biochemistry: 189–225. Academic Press, New York. Emile Zuckerkandl & Linus Pauling (1965): Evolutionary divergence and convergence in proteins. In: Bryson, V. & Vogel, H. J. (editors): Evolving Genes and Proteins: 97–166. Academic Press, New York. רן לוי, על אבולוציה וגנטיקה, חלק א' + חלק ב', באתר "עושים היסטוריה" (שידור של הפודקאסט וטקסט מלא שלו)