Μοριακή εξέλιξη

Η μοριακή εξέλιξη είναι η διαδικασία αλλαγής στη σύνθεση αλληλουχίας των κυτταρικών μορίων όπως DNA, RNA και πρωτεϊνών μεταξύ των γενεών. Το πεδίο της μοριακής εξέλιξης χρησιμοποιεί αρχές εξελικτικής βιολογίας και της γενετικής των πληθυσμών για να εξηγήσει τα μοτίβα σε αυτές τις αλλαγές. Σημαντικά θέματα στη μοριακή εξέλιξη αφορούν τους ρυθμούς και τις επιπτώσεις των απλών αλλαγών των νουκλεοτιδίων, την ουδέτερη θεωρία της μοριακής εξέλιξης ως προς τη φυσική επιλογή, την προέλευση νέων γονιδίων, τη γενετική φύση των σύνθετων χαρακτηριστικών, τη γενετική βάση της ειδογένεσης, την εξέλιξη της ανάπτυξης και τους τρόπους που οι εξελικτικές δυνάμεις επηρεάζουν τις γονιδιωματικές και τις φαινοτυπικές αλλαγές.

Ιστορικό
Η ιστορία της μοριακής εξέλιξης ξεκινά στις αρχές του 20ού αιώνα με τη συγκριτική βιοχημεία και τη χρήση μεθόδων "γενετικών αποτυπωμάτων" όπως ανοσολογικές δοκιμασίες, ηλεκτροφόρηση πηκτής και χρωματογραφία χάρτου τη δεκαετία του 1950 για την εξερεύνηση των ομόλογων πρωτεϊνών.
Το πεδίο της μοριακής εξέλιξης ωρίμασε στις δεκαετίες του 1960 και του 1970, μετά την άνοδο της μοριακής βιολογίας. Η έλευση της πρωτεϊνικής αλληλούχισης επέτρεψε στους μοριακούς βιολόγους να δημιουργήσουν φυλογενέσεις με βάση τη σύγκριση αλληλουχίας και να χρησιμοποιήσουν τις διαφορές μεταξύ των ομόλογων αλληλουχιών ως μοριακό ρολόι για να εκτιμηθεί ο χρόνος από τον τελευταίο καθολικό κοινό πρόγονο. Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, η ουδέτερη θεωρία της μοριακής εξέλιξης παρείχε μια θεωρητική βάση για το μοριακό ρολόι, 
Αν και τόσο η ρολόι όσο και η ουδέτερη θεωρία ήταν αμφιλεγόμενες, καθώς οι περισσότεροι εξελικτικοί βιολόγοι κρατούσαν έντονα τον πανεπιλεκτισμό (panselectionism), με τη φυσική επιλογή ως τη μόνη σημαντική αιτία της εξελικτικής αλλαγής. Μετά τη δεκαετία του 1970, η αλληλουχία νουκλεϊκών οξέων επέτρεψε στη μοριακή εξέλιξη να φτάσει πέρα από τις πρωτεΐνες σε πολύ διατηρημένες αλληλουχίες ριβοσωμικού RNA, το θεμέλιο μιας επανασύλληψης της αντίληψης της πρώιμης ιστορίας της ζωής.

Δυνάμεις στη μοριακή εξέλιξη
Το περιεχόμενο και η δομή ενός γονιδιώματος είναι το προϊόν των μοριακών και πληθυσμιακών γενετικών δυνάμεων που δρουν στο γονιδίωμα αυτό. Οι νέες γενετικές παραλλαγές θα προκύψουν μέσω μεταλλάξεων και θα εξαπλωθούν και θα διατηρηθούν σε πληθυσμούς λόγω της γενετικής παρέκκλισης ή της φυσικής επιλογής.

Μετάλλαξη


Οι μεταλλάξεις είναι μόνιμες, μεταβιβάσιμες αλλαγές στο γενετικό υλικό (DNA ή RNA) ενός κυττάρου ή ιού. Οι μεταλλάξεις προκύπτουν από σφάλματα στην αντιγραφή του DNA κατά τη διάρκεια κυτταρικής διαίρεσης και από έκθεση σε ακτινοβολία, χημικές ουσίες και άλλους περιβαλλοντικούς αγχογόνους παράγοντες, ή ιούς και μεταθέσιμα στοιχεία. Οι περισσότερες μεταλλάξεις που συμβαίνουν είναι μονονουκλεοτιδικοί πολυμορφισμοί που τροποποιούν απλές βάσεις της αλληλουχίας DNA, με αποτέλεσμα σημειακές μεταλλάξεις. Άλλοι τύποι μεταλλάξεων τροποποιούν μεγαλύτερα τμήματα DNA και μπορούν να προκαλέσουν διπλασιασμούς, παρεμβολές, διαγραφές, αντιστροφές και μετατοπίσεις.

Οι περισσότεροι οργανισμοί εμφανίζουν έντονη απόκλιση στους τύπους των μεταλλάξεων που συμβαίνουν με ισχυρή επιρροή στο περιεχόμενο γουανίνης-κυτοσίνης. Οι μεταβάσεις (Transitions) (A ↔ G ή C ↔ T) είναι πιο συχνές από τις μεταστροφές (transversion) (πουρίνη (αδενίνη ή γουανίνη)) ↔ πυριμιδίνη (κυτοσίνη ή θυμίνη ή σε RNA, ουρακίλη)) και είναι λιγότερο πιθανό να αλλάξουν οι αλληλουχίες του αμινοξέος της πρωτεΐνης.

Οι μεταλλάξεις είναι στοχαστικές και συνήθως εμφανίζονται τυχαία μεταξύ των γονιδίων. Τα ποσοστά μετάλλαξης για θέσεις μεμονωμένων νουκλεοτιδίων για τους περισσότερους οργανισμούς είναι πολύ χαμηλά, χοντρικά 10−9 έως 10−8 ανά θέση και ανά γενιά, αν και ορισμένοι ιοί έχουν υψηλότερα ποσοστά μετάλλαξης της τάξης από 10−6 ανά θέση και ανά γενιά. Μεταξύ αυτών των μεταλλάξεων, ορισμένες θα είναι ουδέτερες ή ευεργετικές και θα παραμείνουν στο γονιδίωμα εκτός εάν χαθούν μέσω γενετικής παρέκκλισης και άλλες θα είναι επιζήμιες και θα αποβληθούν από το γονιδίωμα με φυσική επιλογή.

Επειδή οι μεταλλάξεις είναι εξαιρετικά σπάνιες, συσσωρεύονται πολύ αργά μεταξύ των γενεών. Ενώ ο αριθμός των μεταλλάξεων που εμφανίζεται σε οποιαδήποτε γενιά μπορεί να ποικίλει, για πολύ μεγάλες χρονικές περιόδους, φαίνεται να συσσωρεύονται με κανονικό ρυθμό. Χρησιμοποιώντας τον ρυθμό μετάλλαξης ανά γενιά και τον αριθμό των νουκλεοτιδικών διαφορών μεταξύ δύο αλληλουχιών, οι χρόνοι απόκλισης μπορούν να εκτιμηθούν αποτελεσματικά μέσω του μοριακού ρολογιού.

Ανασυνδυασμός

Ο γενετικός ανασυνδυασμός είναι μια διαδικασία που οδηγεί σε γενετική ανταλλαγή μεταξύ χρωμοσωμάτων ή χρωμοσωμικών περιοχών. Ο ανασυνδυασμός εξουδετερώνει τη φυσική σύνδεση μεταξύ γειτονικών γονιδίων, μειώνοντας έτσι τη γενετική συμπαράσυρση genetic hitchhiking). Η προκύπτουσα ανεξάρτητη κληρονομιά των γονιδίων οδηγεί σε πιο αποτελεσματική επιλογή, που σημαίνει ότι περιοχές με υψηλότερο ανασυνδυασμό θα φιλοξενούν λιγότερες επιβλαβείς μεταλλάξεις, πιο εκλεκτικά προτιμώμενες παραλλαγές και λιγότερα σφάλματα στην αντιγραφή και επιδιόρθωση. Ο ανασυνδυασμός μπορεί επίσης να δημιουργήσει συγκεκριμένους τύπους μεταλλάξεων εάν τα χρωμοσώματα δεν στοιχίζονται.

Μετατροπή γονιδίων

Μετατροπή γονιδίων είναι ένας τύπος ανασυνδυασμού που είναι το προϊόν της επιδιόρθωσης του DNA όπου η βλάβη των νουκλεοτιδίων διορθώνεται χρησιμοποιώντας μια ομόλογη γονιδιωματική περιοχή ως πρότυπο. Οι κατεστραμμένες βάσεις πρώτα αποκόπτονται, η κατεστραμμένη αλυσίδα στη συνέχεια στοιχίζεται με ένα μη κατεστραμμένο ομόλογο και η σύνθεση DNA επιδιορθώνει την αποκομμένη περιοχή χρησιμοποιώντας την άθικτη αλυσίδα ως οδηγό. Η μετατροπή γονιδίων είναι συχνά υπεύθυνη για ομογενοποίηση αλληλουχιών διπλών γονιδίων για μεγάλες χρονικές περιόδους, μειώνοντας την απόκλιση των νουκλεοτιδίων.

Γενετικής παρέκκλιση
Γενετική παρέκκλιση είναι η αλλαγή των συχνοτήτων αλληλόμορφων από τη μία γενιά στην άλλη λόγω στοχαστικών επιδράσεων τυχαίου δείγματος σε πεπερασμένους πληθυσμούς. Ορισμένες υφιστάμενες παραλλαγές δεν επηρεάζουν τη φυσική κατάσταση και ενδέχεται να αυξηθούν ή να μειωθούν σε συχνότητα απλώς λόγω τύχης. "Σχεδόν ουδέτερες" παραλλαγές των οποίων ο συντελεστής επιλογής είναι κοντά σε τιμή κατωφλίου 1 / το αποτελεσματικό μέγεθος πληθυσμού θα επηρεαστεί επίσης από τύχη, καθώς και από επιλογή και μετάλλαξη. Πολλά γονιδιωματικά χαρακτηριστικά έχουν αποδοθεί στη συσσώρευση σχεδόν ουδέτερων επιζήμιων μεταλλάξεων ως αποτέλεσμα μικρών αποτελεσματικών μεγεθών πληθυσμού. Με μικρότερο αποτελεσματικό μέγεθος πληθυσμού, μια μεγαλύτερη ποικιλία μεταλλάξεων θα συμπεριφέρεται σαν να είναι ουδέτερες λόγω της αναποτελεσματικότητας της επιλογής.

Επιλογή

Η επιλογή γίνεται όταν οργανισμοί με μεγαλύτερη αρμοστικότητα, δηλαδή μεγαλύτερη ικανότητα επιβίωσης ή αναπαραγωγής, ευνοούνται στις επόμενες γενιές, αυξάνοντας έτσι την εμφάνιση υποκείμενων γενετικών παραλλαγών σε έναν πληθυσμό. Η επιλογή μπορεί να είναι προϊόν φυσικής επιλογής, τεχνητής επιλογής ή σεξουαλικής επιλογής. Η φυσική επιλογή είναι οποιαδήποτε επιλεκτική διαδικασία που συμβαίνει λόγω της αρμοστικότητας ενός οργανισμού στο περιβάλλον του. Αντιθέτως, η σεξουαλική επιλογή είναι προϊόν επιλογής συντρόφου και μπορεί να ευνοήσει την εξάπλωση γενετικών παραλλαγών που αντιτίθενται στη φυσική επιλογή αλλά αυξάνουν την επιθυμία για το αντίθετο φύλο ή αυξάνουν την επιτυχία του ζευγαρώματος. Η εχνητή επιλογή, επίσης γνωστή ως βελτίωση με επιλογή, επιβάλλεται από μια εξωτερική οντότητα, συνήθως από ανθρώπους, προκειμένου να αυξηθεί η συχνότητα των επιθυμητών χαρακτηριστικών.

Οι αρχές της γενετικής του πληθυσμού εφαρμόζονται παρόμοια σε όλους τους τύπους επιλογής, αν και στην πραγματικότητα ο καθένας μπορεί να παράγει ξεχωριστά αποτελέσματα λόγω της ομαδοποίησης γονιδίων με διαφορετικές λειτουργίες σε διαφορετικά μέρη του γονιδιώματος ή λόγω διαφορετικών ιδιοτήτων των γονιδίων σε συγκεκριμένες λειτουργικές τάξεις. Παραδείγματος χάρη, η σεξουαλική επιλογή θα μπορούσε να είναι πιο πιθανό να επηρεάσει τη μοριακή εξέλιξη των χρωμοσωμάτων του φύλου λόγω της ομαδοποίησης των ειδικών φύλων γονιδίων στα X, Y, Z ή W.

Ενδογονιδιωματική σύγκρουση (Intragenomic conflict)

Η επιλογή μπορεί να λειτουργήσει σε επίπεδο γονιδίου εις βάρος της οργανισμικής αρμοστικότητας, με αποτέλεσμα ενδογονιδιωματική σύγκρουση. Αυτό συμβαίνει επειδή μπορεί να υπάρχει ένα επιλεκτικό πλεονέκτημα για το εγωιστικά γενετικά στοιχεία παρά το κόστος υποδοχής. Παραδείγματα τέτοιων εγωιστικών στοιχείων περιλαμβάνουν μεταθέσιμα στοιχεία, μειωτικούς οδηγούς, χρωμοσώματα Χ δολοφόνων, εγωιστικά μιτοχόνδρια και αυτοδιπλασιασμένα εσώνια.

Αρχιτεκτονική γονιδιώματος

Μέγεθος γονιδιώματος

Το μέγεθος του γονιδιώματος επηρεάζεται από την ποσότητα του επαναλαμβανόμενου DNA καθώς και από τον αριθμό των γονιδίων σε έναν οργανισμό. Το παράδοξο της τιμής C αναφέρεται στην έλλειψη συσχέτισης μεταξύ της 'πολυπλοκότητας' του οργανισμού και του μεγέθους του γονιδιώματος. Οι εξηγήσεις για το λεγόμενο παράδοξο είναι διττές. Πρώτον, τα επαναλαμβανόμενα γενετικά στοιχεία μπορούν να περιλαμβάνουν μεγάλα τμήματα του γονιδιώματος για πολλούς οργανισμούς, διογκώνοντας έτσι το περιεχόμενο DNA του απλοειδούς γονιδιώματος. Δεύτερον, ο αριθμός των γονιδίων δεν είναι απαραίτητα ενδεικτικός του αριθμού των σταδίων ανάπτυξης ή των τύπων ιστών σε έναν οργανισμό. Ένας οργανισμός με λίγα αναπτυξιακά στάδια ή τύπους ιστών μπορεί να έχει μεγάλο αριθμό γονιδίων που επηρεάζουν τους μη αναπτυξιακούς φαινοτύπους, διογκώνοντας το γονιδιακό περιεχόμενο σε σχέση με τις αναπτυξιακές οικογένειες γονιδίων.

Ουδέτερες εξηγήσεις για το μέγεθος του γονιδιώματος υποδηλώνουν ότι όταν τα μεγέθη του πληθυσμού είναι μικρά, πολλές μεταλλάξεις γίνονται σχεδόν ουδέτερες. Ως εκ τούτου, σε μικρούς πληθυσμούς επαναλαμβανόμενο περιεχόμενο και άλλo 'άχρηστο DNA' μπορούν να συσσωρευτούν χωρίς να θέσουν τον οργανισμό σε ανταγωνιστικό μειονέκτημα. Υπάρχουν λίγες ενδείξεις που υποδηλώνουν ότι το μέγεθος του γονιδιώματος βρίσκεται υπό έντονη ευρεία επιλογή σε πολυκυτταρικά ευκαρυωτικά κύτταρα. Το μέγεθος του γονιδιώματος, ανεξάρτητα από το γονιδιακό περιεχόμενο, συσχετίζεται ελάχιστα με τα περισσότερα φυσιολογικά χαρακτηριστικά και πολλοί ευκαρυώτες, συμπεριλαμβανομένων των θηλαστικών, φιλοξενούν πολύ μεγάλες ποσότητες επαναλαμβανόμενου DNA.

Ωστόσο, τα πτηνά πιθανότατα έχουν δοκιμάσει ισχυρή επιλογή για μειωμένο μέγεθος γονιδιώματος, ως απάντηση στις μεταβαλλόμενες ενεργειακές ανάγκες για πτήση. Τα πτηνά, σε αντίθεση με τους ανθρώπους, παράγουν πυρηνικά ερυθρά αιμοσφαίρια και μεγαλύτεροι πυρήνες οδηγούν σε χαμηλότερα επίπεδα μεταφοράς οξυγόνου. Ο μεταβολισμός των πτηνών είναι πολύ υψηλότερος από αυτόν των θηλαστικών, κυρίως λόγω της πτήσης και οι ανάγκες σε οξυγόνο είναι υψηλές. Ως εκ τούτου, τα περισσότερα πτηνά έχουν μικρά, συμπαγή γονιδιώματα με λίγα επαναλαμβανόμενα στοιχεία. Έμμεσες αποδείξεις υποδηλώνουν ότι οι πρόγονοι των δεινοσαύρων που δεν ανήκουν στα πτηνά από σύγχρονα πουλιά είχαν επίσης μειωμένα μεγέθη γονιδιώματος, σύμφωνα με την ενδοθερμία και τις υψηλές ενεργειακές ανάγκες για ταχύτητα λειτουργίας. Πολλά βακτήρια έχουν επίσης βιώσει επιλογή για μικρό μέγεθος γονιδιώματος, καθώς ο χρόνος αναπαραγωγής και η κατανάλωση ενέργειας συσχετίζονται τόσο στενά με την αρμοστικότητα.

Επαναλαμβανόμενα στοιχεία
Τα μεταθέσιμα στοιχεία είναι αυτοαντιγραφόμενα, εγωιστικά γενετικά στοιχεία που είναι ικανά να πολλαπλασιαστούν εντός των γονιδιωμάτων του ξενιστή. Πολλά μεταθέσιμα στοιχεία σχετίζονται με ιούς και μοιράζονται πολλές κοινές πρωτεΐνες.

Αριθμός και οργάνωση χρωμοσωμάτων
Ο αριθμός χρωμοσωμάτων στο γονιδίωμα ενός οργανισμού επίσης δεν συσχετίζεται απαραίτητα με την ποσότητα του DNA στο γονιδίωμά του. Το μυρμήγκι Myrmecia pilosula έχει μόνο ένα ζεύγος χρωμοσωμάτων, ενώ η φτέρη Ophioglossum reticulatum έχει έως και 1260 χρωμοσώματα. 
Τα γονιδιώματα Cilliate στεγάζουν κάθε γονίδιο σε μεμονωμένα χρωμοσώματα, με αποτέλεσμα ένα γονιδίωμα που δεν είναι φυσικά συνδεδεμένο. Η μειωμένη σύνδεση μέσω της δημιουργίας επιπρόσθετων χρωμοσωμάτων θα αυξήσει αποτελεσματικά την αποτελεσματικότητα της επιλογής.

Οι αλλαγές στον αριθμό χρωμοσώματος μπορούν να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στην ειδογένεση, καθώς οι διαφορετικοί αριθμοί χρωμοσωμάτων μπορούν να χρησιμεύσουν ως εμπόδιο στην αναπαραγωγή σε υβρίδια. Το ανθρώπινο χρωμόσωμα 2 δημιουργήθηκε από μια σύντηξη δύο χρωμοσωμάτων χιμπατζή και εξακολουθεί να περιέχει κεντρικά τελομερή καθώς και ένα ατροφικό δεύτερο κεντρομερές. Η πολυπλοειδία, και ιδίως η αλλοπολυπλοειδία, η οποία εμφανίζεται συχνά στα φυτά, μπορεί επίσης να οδηγήσει σε αναπαραγωγικές ασυμβατότητες με τα γονικά είδη. Οι μπλε πεταλούδες Agrodiatus έχουν διαφορετικούς αριθμούς χρωμοσωμάτων που κυμαίνονται από n = 10 έως n = 134 και επιπλέον έχουν έναν από τους υψηλότερους ρυθμούς ειδογένεσης που έχουν προσδιοριστεί μέχρι σήμερα.

Περιεχόμενο και κατανομή γονιδίων
Διαφορετικοί οργανισμοί στεγάζουν διαφορετικούς αριθμούς γονιδίων μέσα στα γονιδιώματά τους, καθώς και διαφορετικά μοτίβα στην κατανομή των γονιδίων σε όλο το γονιδίωμα. Ορισμένοι οργανισμοί, όπως τα περισσότερα βακτήρια, η Drosophila και η Arabidopsis έχουν ιδιαίτερα συμπαγή γονιδιώματα με μικρό επαναλαμβανόμενο περιεχόμενο ή μη κωδικοποιητικό DNA. Άλλοι οργανισμοί, όπως θηλαστικά ή αραβόσιτος, έχουν μεγάλες ποσότητες επαναλαμβανόμενου DNA, μακρά εσώνια και σημαντική απόσταση μεταξύ διαφορετικών γονιδίων. Το περιεχόμενο και η κατανομή των γονιδίων εντός του γονιδιώματος μπορούν να επηρεάσουν το ποσοστό με το οποίο συμβαίνουν ορισμένοι τύποι μεταλλάξεων και μπορούν να επηρεάσουν την επακόλουθη εξέλιξη διαφορετικών ειδών. Τα γονίδια με μεγαλύτερα ιντρόνια είναι πιο πιθανό να ανασυνδυαστούν λόγω της αυξημένης φυσικής απόστασης πάνω από την κωδικοποιητική αλληλουχία. Ως τέτοια, τα μακρά ιντρόνια μπορεί να διευκολύνουν τον εκτοπικό ανασυνδυασμό και να οδηγήσουν σε υψηλότερα ποσοστά σχηματισμού νέων γονιδίων.

Οργανίδια
Εκτός από το πυρηνικό γονιδίωμα, τα οργανίδια ενδοσυμβιωτών περιέχουν το δικό τους γενετικό υλικό τυπικά ως κυκλικά πλασμίδια. Το DNA των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών ποικίλλει ανάλογα με τις ταξινομικές βαθμίδες, αλλά οι πρωτεΐνες που συνδέονται με τη μεμβράνη, ειδικά τα συστατικά της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, κωδικοποιούνται συχνότερα στο οργανίδιο. Οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια κληρονομούνται από τη μητέρα στα περισσότερα είδη, καθώς τα οργανίδια πρέπει να διέρχονται από το ωάριο. Σε μια σπάνια απόκλιση, ορισμένα είδη μυδιών είναι γνωστό ότι κληρονομούν μιτοχόνδρια από πατέρα σε γιο.

Προέλευση νέων γονιδίων

Τα νέα γονίδια προκύπτουν από διάφορους γενετικούς μηχανισμούς, συμπεριλαμβανομένου του διπλασιασμού των γονιδίων, της εκκίνησης εκ νέου, της αναδρομικής μετάθεσης, του σχηματισμού χιμαιρικών γονιδίων, της πρόσληψης μη κωδικοποιητικής αλληλουχίας και της αποκοπής των γονιδίων.

Ο διπλασιασμός γονιδίου οδηγεί αρχικά σε πλεονασμό. Ωστόσο, οι διπλές αλληλουχίες γονιδίων μπορούν να μεταλλαχθούν για να αναπτύξουν νέες λειτουργίες ή να ειδικευτούν έτσι ώστε το νέο γονίδιο να εκτελεί ένα υποσύνολο των αρχικών προγονικών λειτουργιών. Εκτός από την αναπαραγωγή ολόκληρων γονιδίων, μερικές φορές διπλασιάζεται μόνο ένας τομέας ή μέρος μιας πρωτεΐνης έτσι ώστε το προκύπτον γονίδιο να είναι μια επιμήκη έκδοση του γονικού γονιδίου.

Η ρετρομετάθεση δημιουργεί νέα γονίδια αντιγράφοντας αγγελιοφόρο RNA στο DNA και εισάγοντας το στο γονιδίωμα. Τα ρετρογονίδια εισάγονται συχνά σε νέες γονιδιωματικές θέσεις και αναπτύσσουν συχνά νέα μοτίβα και λειτουργίες έκφρασης.

Τα χιμαιρικά γονίδια σχηματίζονται κατά τον διπλασιασμό, τη διαγραφή, ή την ατελής ρετρομετάθεση συνδυάζονται τμήματα δύο διαφορετικών κωδικοποιητικών αλληλουχιών για να παράξουν μια νέα γονιδιακή αλληλουχία. Οι χίμαιρες προκαλούν συχνά ρυθμιστικές αλλαγές και μπορούν να ανακατέψουν τις πρωτεϊνικές περιοχές για να παράξουν νέες προσαρμοστικές λειτουργίες.

Η γέννηση γονιδίου εκ νέου (De novo) μπορεί επίσης να δημιουργήσει νέα γονίδια από το προηγούμενο μη κωδικοποιητικό DNA. Παραδείγματος χάρη, ο Levine και οι συνεργάτες του ανέφεραν την προέλευση πέντε νέων γονιδίων στο γονιδίωμα του D. melanogaster από DNA χωρίς κωδικοποίηση.
 Παρόμοια η προέλευση γονιδίων εκ νέου έχει επίσης δειχθεί σε άλλους οργανισμούς όπως η μαγιά, στο ρύζι και στους ανθρώπους. Τα γονίδια εκ νέου (de novo) μπορούν να εξελιχθούν από μεταγραφές που έχουν ήδη εκφραστεί σε χαμηλά επίπεδα. Η μετάλλαξη ενός κωδικονίου τερματισμού σε ένα κανονικό κωδικόνιο ή μια μετατόπισης πλαισίου μπορεί να προκαλέσει μια εκτεταμένη πρωτεΐνη που περιλαμβάνει μια προηγουμένως μη κωδικοποιητική αλληλουχία. Ο σχηματισμός νέων γονιδίων από το μηδέν συνήθως δεν μπορεί να συμβεί σε γονιδιωματικές περιοχές υψηλής πυκνότητας γονιδίων. Τα βασικά συμβάντα για τον εκ νέου σχηματισμό γονιδίων είναι ο ανασυνδυασμός/η μετάλλαξη που περιλαμβάνει παρεμβολές, διαγραφές και αντιστροφές. Αυτά τα γεγονότα είναι ανεκτά εάν η συνέπεια αυτών των γενετικών γεγονότων δεν παρεμβαίνει στις κυτταρικές δραστηριότητες. Τα περισσότερα γονιδιώματα περιλαμβάνουν προφάγους όπου γενετικές τροποποιήσεις δεν επηρεάζουν, γενικά, τον πολλαπλασιασμό του γονιδιώματος του ξενιστή. Ως εκ τούτου, υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα γενετικών τροποποιήσεων, σε περιοχές όπως οι προφάγοι, η οποία είναι ανάλογη με την πιθανότητα σχηματισμού γονιδίων εκ νέου.

Η εξέλιξη των γονιδίων εκ νέου (De novo) μπορεί επίσης να προσομοιωθεί στο εργαστήριο. Παραδείγματος χάρη, ημι-τυχαίες αλληλουχίες γονιδίων μπορούν να επιλεγούν για συγκεκριμένες λειτουργίες. Πιο συγκεκριμένα, επιλέκτηκαν αλληλουχίες από μια βιβλιοθήκη που θα μπορούσαν να συμπληρώσουν μια διαγραφή γονιδίου στην Εσερίχια κόλι. Το διαγραμμένο γονίδιο κωδικοποιεί την εστεράση εντεροβακτίνης τρισθενούς σιδήρου (Fes), η οποία απελευθερώνει σίδηρο. Ενώ το Fes είναι μια πρωτεΐνη 400 αμινοξέων, το νεοεπιλεγμένο γονίδιο είχε μήκος μόνο 100 αμινοξέα και δεν σχετίζεται με την αληλουχία του Fes.

 In vitro  πειράματα μοριακής εξέλιξης

Έχουν επίσης ανακαλυφθεί αρχές μοριακής εξέλιξης και άλλες διευκρινίστηκαν και δοκιμάστηκαν χρησιμοποιώντας πειραματισμό που περιλαμβάνει ενίσχυση, παραλλαγή και επιλογή ταχέως πολλαπλασιαζόμενων και γενετικά μεταβαλλόμενων μοριακών ειδών έξω από κύτταρα. Από το πρωτοποριακό έργο του Sol Spiegelmann το 1967 [ref], που περιλαμβάνει RNA που αναπαράγει τον εαυτό του με τη βοήθεια ενός ενζύμου που εξάγεται από τον ιό Qß [ref], διάφορες ομάδες (όπως Kramers [ref] και Biebricher/Luce/Eigen [ref ]) μελέτησαν πολυ μικρές και μικρές παραλλαγές αυτού του RNA στις δεκαετίες του 1970 και του 1980 που αναπαράγονται σε χρόνο δευτερολέπτων έως ένα λεπτό, επιτρέποντας σε εκατοντάδες γενιές με μεγάλα μεγέθη πληθυσμού (π.χ. 10^14 αλληλουχίες) να παρακολουθούνται σε μια μόνο μέρα πειραματισμού . Η χημική κινητική αποσαφήνιση του λεπτομερούς μηχανισμού αναπαραγωγής [ref, ref] σήμαινε ότι αυτός ο τύπος συστήματος ήταν το πρώτο σύστημα μοριακής εξέλιξης που θα μπορούσε να χαρακτηριστεί πλήρως με βάση τη φυσικοχημική κινητική, επιτρέποντας αργότερα στα πρώτα πρότυπα απεικόνισης του γονότυπου σε φαινότυπο με βάση την αναδίπλωση και επαναναδίπλωση του RNA που εξαρτάται από την αλληλουχία που θα παραχθεί [ref, ref]. Με την επιφύλαξη της διατήρησης της λειτουργίας του ενζύμου πολλαπλών συστατικών Qß, οι χημικές συνθήκες θα μπορούσαν να ποικίλουν σημαντικά, προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση των μεταβαλλόμενων περιβαλλόντων και των πιέσεων επιλογής [ref]. Τα πειράματα σχεδόν με in vitro ειδών RNA περιελάμβαναν τον χαρακτηρισμό του ορίου σφάλματος για πληροφορίες στη μοριακή εξέλιξη [ref], την ανακάλυψη της εκ νέου (de novo) εξέλιξης [ref] που οδηγεί σε διαφορετικά είδη αναπαραγωγής RNA και την ανακάλυψη χωρικά κινούμενων κυμάτων ως ιδανικούς αντιδραστήρες μοριακής εξέλιξης [ref, ref]. Αργότερα πειράματα χρησιμοποίησαν νέους συνδυασμούς ενζύμων για να διευκρινίσουν νέες πτυχές της αλληλεπίδρασης της μοριακής εξέλιξης που περιλαμβάνει την εξαρτώμενη από τον πληθυσμό αρμοστικότητα, συμπεριλαμβανομένης της εργασίας με τεχνητά σχεδιασμένο μοριακό αρπακτικό θηράμα και συνεργατικά συστήματα πολλαπλών RNA και DNA [ref, ref]. Σχεδιάστηκαν ειδικοί αντιδραστήρες εξέλιξης για αυτές τις μελέτες, ξεκινώντας με σειριακές μηχανές ροής, αντιδραστήρες ροής όπως μηχανές κυψελίδας, τριχοειδείς αντιδραστήρες και μικροαντιδραστήρες, συμπεριλαμβανομένων αντιδραστήρων ροής γραμμής και αντιδραστήρων φετών πηκτής. Αυτές οι μελέτες συνοδεύτηκαν από θεωρητικές εξελίξεις και προσομοιώσεις που αφορούσαν την κινητική αναδίπλωσης και αναπαραγωγής RNA που διασαφήνισαν τη σημασία της δομής συσχέτισης μεταξύ της απόστασης στο βήμα αλληλουχίας διάστημα ακολουθίας και των αλλαγών φυσικής κατάστασης [ref], συμπεριλαμβανομένου του ρόλου ουδέτερων δικτύων και δομικών συνόλων στην εξελικτική βελτιστοποίηση.

Μοριακή φυλογενετική

Η μοριακή συστηματική είναι το προϊόν των παραδοσιακών πεδίων συστηματικής και μοριακής γενετικής. Χρησιμοποιεί DNA, RNA ή αλληλουχίες πρωτεϊνών για την επίλυση ερωτημάτων στη συστηματική, δηλαδή σχετικά με τη σωστή τους επιστημονική ταξινόμηση ή ταξινομία από την άποψη της εξελικτικής βιολογίας.

Η μοριακή συστηματική έχει καταστεί δυνατή με τη διαθεσιμότητα τεχνικών για αλληλούχιση του DNA, οι οποίες επιτρέπουν τον προσδιορισμό της ακριβούς αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων ή βάσεων σε DNA ή RNA. Προς το παρόν, είναι ακόμη μια μακρά και δαπανηρή διαδικασία για την αλληλουχία ολόκληρου του γονιδιώματος ενός οργανισμού, και αυτό έχει γίνει μόνο για λίγα είδη. Ωστόσο, είναι αρκετά εφικτό να προσδιοριστεί η αλληλουχία μιας καθορισμένης περιοχής ενός συγκεκριμένου χρωμοσώματος. Οι τυπικές μοριακές συστηματικές αναλύσεις απαιτούν την αλληλουχία περίπου 1000 ζευγών βάσεων.

Οι κινητήριες δυνάμεις της εξέλιξης

Ανάλογα με τη σχετική σημασία που αποδίδεται στις διάφορες δυνάμεις της εξέλιξης, τρεις προοπτικές παρέχουν εξελικτικές εξηγήσεις για τη μοριακή εξέλιξη.

Οι επιλεκτικές υποθέσεις υποστηρίζουν ότι η επιλογή είναι η κινητήρια δύναμη της μοριακής εξέλιξης. Παρόλο που αναγνωρίζουν ότι πολλές μεταλλάξεις είναι ουδέτερες, οι επιλεκτικοί αποδίδουν τις αλλαγές στις συχνότητες των ουδέτερων αλληλομόρφων σε σύνδεση ανισορροπίας (linkage disequilibrium) με άλλους τόπους που βρίσκονται υπό επιλογή, παρά σε τυχαία γενετική μετατόπιση. Οι αποκλίσεις στη χρήση κωδικονίου εξηγούνται συνήθως με αναφορά στην ικανότητα της ομοιόμορφης αδύναμης επιλογής να διαμορφώσει τη μοριακή εξέλιξη.

Οι ουδέτερες υποθέσεις υπογραμμίζουν τη σημασία της μετάλλαξης, του καθαρισμού της επιλογής και της τυχαίας γενετικής παρέκλισης. Η εισαγωγή της ουδέτερης θεωρίας από τον Motoo Kimura, ακολουθήθηκε γρήγορα από τα ευρήματα του Jack L. King και του Thomas H. Jukes, και οδήγησε σε μια έντονη συζήτηση σχετικά με τη συνάφεια του νεοδαρβινισμού σε μοριακό επίπεδο. Η ουδέτερη θεωρία της μοριακής εξέλιξης (Neutral theory of molecular evolution) προτείνει ότι οι περισσότερες μεταλλάξεις στο DNA βρίσκονται σε θέσεις που δεν είναι σημαντικές για τη λειτουργία ή την αρμοστικότητα. Αυτές οι ουδέτερες αλλαγές μετακινούνται προς τη σταθεροποίηση εντός ενός πληθυσμού. Οι θετικές αλλαγές θα είναι πολύ σπάνιες και έτσι δεν θα συμβάλουν σημαντικά στους πολυμορφισμούς του DNA. Οι βλαβερές μεταλλάξεις δεν συμβάλλουν πολύ στην ποικιλομορφία του DNA επειδή επηρεάζουν αρνητικά την αρμοστικότητα και έτσι απομακρύνονται από την ομάδα γονιδίων σύντομα. Αυτή η θεωρία παρέχει ένα πλαίσιο για το μοριακό ρολόι. Η μοίρα των ουδέτερων μεταλλάξεων διέπεται από τη γενετική παρέκκλιση και συμβάλλει τόσο στον πολυμορφισμό των νουκλεοτιδίων όσο και στις σταθερές διαφορές μεταξύ των ειδών.Η σχεδόν ουδέτερη θεωρία επέκτεινε την ουδέτερη προοπτική, υποδηλώνοντας ότι πολλές μεταλλάξεις είναι σχεδόν ουδέτερες, που σημαίνει ότι τόσο η τυχαία παρέκκλιση όσο και η φυσική επιλογή σχετίζονται με τη δυναμική τους.

Με την αυστηρότερη έννοια, η ουδέτερη θεωρία δεν είναι ακριβής. Οι λεπτές αλλαγές στο DNA έχουν πολύ συχνά αποτελέσματα, αλλά μερικές φορές αυτές οι επιδράσεις είναι πολύ μικρές για να λειτουργήσει η φυσική επιλογή.  Ακόμη και οι συνώνυμες μεταλλάξεις δεν είναι απαραίτητα ουδέτερες. Ακόμη και οι συνώνυμες μεταλλάξεις δεν είναι απαραίτητα ουδέτερες γιατί δεν υπάρχει ομοιόμορφη ποσότητα κάθε κωδικονίου. Η σχεδόν ουδέτερη θεωρία επέκτεινε την ουδέτερη προοπτική, προτείνοντας ότι πολλές μεταλλάξεις είναι σχεδόν ουδέτερες, που σημαίνει ότι τόσο η τυχαία μετατόπιση όσο και η φυσική επιλογή σχετίζονται με τη δυναμική τους. Η κύρια διαφορά μεταξύ της ουδέτερης θεωρίας και της σχεδόν ουδέτερης θεωρίας είναι ότι η τελευταία επικεντρώνεται στην αδύναμη επιλογή, όχι αυστηρά ουδέτερη

Οι μεταλλακτικές υποθέσεις τονίζουν την τυχαία παρέκκλιση και τις αποκλίσεις στα μοτίβα μετάλλαξης. Ο Σουέοκα ήταν ο πρώτος που πρότεινε μια σύγχρονη μεταλλακτική άποψη. Πρότεινε ότι η διακύμανση στο περιεχόμενο γουανίνης-κυτοσίνης δεν ήταν αποτέλεσμα θετικής επιλογής, αλλά συνέπεια της πίεσης μετάλλαξης της γουανίνης-κυτοσίνης.

Πρωτεϊνική εξέλιξη

Η εξέλιξη των πρωτεϊνών μελετάται συγκρίνοντας τις αλληλουχίες και τις δομές των πρωτεϊνών από πολλούς οργανισμούς που αντιπροσωπεύουν ξεχωριστούς εξελικτικούς κλάδους. Εάν οι αλληλουχίες/δομές των δύο πρωτεϊνών είναι παρόμοιες που δείχνουν ότι οι πρωτεΐνες αποκλίνουν από μια κοινή προέλευση, αυτές οι πρωτεΐνες ονομάζονται ομόλογες πρωτεΐνες. Πιο συγκεκριμένα, οι ομόλογες πρωτεΐνες που υπάρχουν σε δύο διαφορετικά είδη ονομάζονται ορθόλογες. Ενώ οι ομόλογες πρωτεΐνες που κωδικοποιούνται από το γονιδίωμα ενός μοναδικού είδους ονομάζονται παράλογες.

Οι φυλογενετικές σχέσεις των πρωτεϊνών εξετάζονται με πολλαπλές συγκρίσεις αλληλουχιών. Τα φυλογενετικά δέντρα των πρωτεϊνών μπορούν να καθοριστούν με τη σύγκριση των ταυτοτήτων αλληλουχιών μεταξύ των πρωτεϊνών. Τέτοια φυλογενετικά δέντρα έχουν αποδείξει ότι οι ομοιότητες αλληλουχίας μεταξύ πρωτεϊνών αντικατοπτρίζουν στενά τις εξελικτικές σχέσεις μεταξύ οργανισμών.

Η εξέλιξη των πρωτεϊνών περιγράφει τις αλλαγές με την πάροδο του χρόνου στο σχήμα, τη λειτουργία και τη σύνθεση των πρωτεϊνών. Μέσω της ποσοτικής ανάλυσης και του πειραματισμού, οι επιστήμονες προσπάθησαν να κατανοήσουν τον ρυθμό και τις αιτίες της εξέλιξης των πρωτεϊνών. Χρησιμοποιώντας τις αλληλουχίες αμινοξέων της αιμοσφαιρίνης και του κυτοχρώματος c από πολλά είδη, οι επιστήμονες μπόρεσαν να αντλήσουν εκτιμήσεις των ποσοστών εξέλιξης των πρωτεϊνών. Αυτό που βρήκαν ήταν ότι οι ρυθμοί δεν ήταν οι ίδιοι μεταξύ των πρωτεϊνών. Κάθε πρωτεΐνη έχει τον δικό της ρυθμό και αυτός ο ρυθμός είναι σταθερός στις φυλογενέσεις (δηλαδή, η αιμοσφαιρίνη δεν εξελίσσεται με τον ίδιο ρυθμό με το κυτόχρωμα c, αλλά οι αιμοσφαιρίνες από ανθρώπους, ποντίκια κ.λπ. έχουν συγκρίσιμους ρυθμούς εξέλιξης.). Δεν μεταλλάσσονται όλες οι περιοχές μιας πρωτεΐνης με τον ίδιο ρυθμό. Οι λειτουργικά σημαντικές περιοχές μεταλλάσσονται πιο αργά και οι υποκαταστάσεις αμινοξέων που περιλαμβάνουν παρόμοια αμινοξέα συμβαίνουν συχνότερα από τις ανόμοιες υποκαταστάσεις. 
Συνολικά, το επίπεδο των πολυμορφισμών στις πρωτεΐνες φαίνεται να είναι αρκετά σταθερό. Αρκετά είδη (συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, των μυγών φρούτων και των ποντικιών) έχουν παρόμοια επίπεδα πολυμορφισμού πρωτεΐνης.

Στις διαλέξεις του στο Δουβλίνο του 1943, Τι είναι η ζωή;, ο Erwin Schrodinger πρότεινε ότι θα μπορούσαμε να προχωρήσουμε στην απάντηση σε αυτό το ερώτημα χρησιμοποιώντας στατιστικές μηχανικές και συναρτήσεις κατατμήσεων, αλλά όχι κβαντομηχανική και την κυματική εξίσωση. Περιέγραψε έναν απεριοδικό κρύσταλλο που θα μπορούσε να φέρει γενετικές πληροφορίες, μια περιγραφή που πιστώνεται από τους Francis Crick και James D. Watson με την έμπνευση της ανακάλυψης της διπλής ελικοειδούς δομής του DNA.  Είκοσι κλαστικά ανακαλύφθηκαν σε επιφάνειες που σχετίζονται με διαλύτες > 5000 πρωτεϊνικών τμημάτων.  
Η ύπαρξη αυτών των κλαστικών αποδεικνύει ότι οι πρωτεΐνες λειτουργούν κοντά σε κρίσιμα σημεία μεταβάσεων φάσης δεύτερης τάξης, πραγματοποιώντας την υπόθεση του Schrodinger. Ανοίγει ένα νέο πεδίο βιοφυσικής ακριβούς θερμοδυναμικής ανάλυσης της εξέλιξης των πρωτεϊνών που βασίζεται κυρίως σε αλληλουχίες αμινοξέων. 

Σχέση με την εξέλιξη του νουκλεϊκού οξέος
Η εξέλιξη των πρωτεϊνών συνδέεται αναπόφευκτα με τις αλλαγές και την επιλογή των πολυμορφισμών και των μεταλλάξεων του DNA επειδή οι πρωτεϊνικές αλληλουχίες αλλάζουν αποκρινόμενες σε μεταβολές στην αλληλουχία του DNA. Οι αλληλουχίες αμινοξέων και οι αλληλουχίες νουκλεϊκών οξέων δεν μεταλλάσσονται με τον ίδιο ρυθμό. Λόγω της εκφυλισμένης φύσης του DNA, οι βάσεις μπορούν να αλλάξουν χωρίς να επηρεάζεται η αλληλουχία αμινοξέων. Για παράδειγμα, υπάρχουν έξι κωδικόνια που κωδικοποιούν τη λευκίνη. Έτσι, παρά τη διαφορά στα ποσοστά μετάλλαξης, είναι απαραίτητο να ενσωματωθεί η εξέλιξη των νουκλεϊκών οξέων στη συζήτηση της εξέλιξης των πρωτεϊνών. Στο τέλος της δεκαετίας του 1960, δύο ομάδες επιστημόνων - του Kimura (1968) και των King και Jukes (1969) - πρότειναν ανεξάρτητα ότι η πλειονότητα των εξελικτικών αλλαγών που παρατηρήθηκαν στις πρωτεΐνες ήταν ουδέτερες. Από τότε, η ουδέτερη θεωρία επεκτάθηκε και συζητήθηκε.

Διαφωνία με τη μορφολογική εξέλιξη
Υπάρχουν μερικές φορές ασυμφωνίες μεταξύ μοριακής και μορφολογικής εξέλιξης, οι οποίες αντανακλώνται σε μοριακές και μορφολογικές συστηματικές μελέτες, ειδικά σε βακτήρια, αρχαία και ευκαρυωτικά μικρόβια. Αυτές οι ασυμφωνίες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως δύο τύποι: (i) μία μορφολογία, πολλαπλές γενεαλογίες (π.χ. μορφολογική σύγκλιση, κρυπτικά είδη) και (ii) μία γενεαλογία, πολλαπλές μορφολογίες (π.χ. φαινοτυπική πλαστικότητα, πολλαπλά στάδια κύκλου ζωής). Η ουδέτερη εξέλιξη θα μπορούσε ενδεχομένως να εξηγήσει τις ασυμφωνίες σε ορισμένες περιπτώσεις.

Περιοδικά και κοινωνίες
Η Society for Molecular Biology and Evolution δημοσιεύει τα περιοδικά "Molecular Biology and Evolution" και "Genome Biology and Evolution" και πραγματοποιεί ετήσια διεθνή συνάντηση. Άλλα περιοδικά αφιερωμένα στη μοριακή εξέλιξη περιλαμβάνουν το «Journal of Molecular Evolution» και το «Molecular Phylogenetics and Evolution». Η έρευνα στη μοριακή εξέλιξη δημοσιεύεται επίσης σε περιοδικά γενετικής, μοριακής βιολογίας, γονιδιωματικής, συστηματικής και εξελικτικής βιολογίας.

Δείτε επίσης

 Αβιογένεση
 Εξέλιξη
 Γενετική παρέκκλιση
 Οριζόντια μεταφορά γονιδίων
 Ανθρώπινη εξέλιξη
 Μοριακό ρολόι
 Γενετική των πληθυσμών
 Φυσική επιλογή

Παραπομπές

Παραπέρα μελέτη


 A. Meyer (Editor), Y. van de Peer, "Genome Evolution: Gene and Genome Duplications and the Origin of Novel Gene Functions", 2003, 
 T. Ryan Gregory, "The Evolution of the Genome", 2004, 
Levinson, Gene (2020). Rethinking evolution: the revolution that's hiding in plain sight. World Scientific. ISBN 9781786347268 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 


Κατηγορία:Εξέλιξη