Неутрална мутација

Неутрални мутации ― промени во низата на ДНК кои не се ниту корисни ниту штетни за способноста на организмот да преживее и да се размножува. Во популационата генетика, мутациите во кои природното одбирање не влијае на ширењето на мутацијата кај еден вид се нарекувани неутрални мутации. Неутралните мутации кои се наследни и не се поврзани со ниеден ген под одбирање ќе бидат изгубени или ќе ги заменат сите други алели на генот. Тоа губење или фиксирање на генот се одвива врз основа на случајно земање примероци познато како генетско поместување. Неутрална мутација која е во нерамнотежа на поврзување со други алели кои се под одбирање може да продолжи до губење или фиксација преку генетско автостоп и/или позадинско одбирање.
Додека многу мутации во геномот може да ја намалат способноста на организмот да преживее и да се размножува, исто така познат како адаптивна вредност, тие мутации се избирани против и не се пренесуваат на идните поколенија. Најчесто забележаните мутации кои се откривани како варијации во генетскиот состав на организмите и популациите се чини дека немаат видлив ефект врз кондицијата на поединците и затоа се неутрални. Идентификувањето и проучувањето на неутралните мутации доведе до развој на неутралната теорија за молекуларна еволуција, која е важна и често контроверзна теорија која предлага дека повеќето молекуларни варијации во и меѓу видовите се суштински неутрални и не е делувано со одбирање. Неутралните мутации се исто така основа за користење на молекуларни часовници за да бидат идентификувани таквите еволутивни настани како видообразба и приспособувачки или еволутивни зрачења.
1 Историја
Чарлс Дарвин ја коментирал идејата за неутрална мутација во својата работа, претпоставувајќи дека мутациите кои не даваат предност или недостаток може да флуктуираат или да бидат поправени одвоени од природното одбирање. „Варијациите ниту корисни ниту штетни нема да бидат засегнати од природното одбирање и би останале или флуктуирачки елемент, како што можеби гледаме кај одредени полиморфни видови, или на крајот би станале фиксирани, поради природата на организмот и природата на условите.“ Додека Дарвин е широко заслужен за воведувањето на идејата за природно одбирање, која била во фокусот на неговите студии, тој исто така ја видел можноста за промени кои не му користеле или не му наштетиле на организмот.
Дарвиновото гледиште за промената е главно водено од особини кои обезбедуваат предност беше широко прифатен до 1960-тите. Додека ги истражувал мутациите кои произведуваат нуклеотидни замени во 1968 година, Мото Кимура открил дека стапката на замена е толку висока што ако секоја мутација ја подобри кондицијата, јазот помеѓу најсоодветниот и највообичаениот генотип би бил неверојатно голем. Сепак, Кимура ја објаснил оваа брза стапка на мутација наведувајќи дека поголемиот дел од мутациите се неутрални, т.е. имаат мало или никакво влијание врз кондицијата на организмот. Кимура развил математички модели на однесувањето на неутралните мутации кои се предмет на случајно генетско поместување во биолошките групи на население. Оваа теорија стана позната како неутрална теорија на молекуларна еволуција.
Бидејќи технологијата овозможи подобра анализа на геномските податоци, истражувањата продолжија во оваа област. Додека природното одбирање може да поттикне приспособување кон променливата средина, неутралната мутација може да ја поттикне дивергенцијата на видовите поради речиси случаен генетски нанос.
2 Влијание врз еволутивната теорија
Неутралната мутација станала дел од неутралната теорија за молекуларна еволуција, предложена во 1960-тите. Оваа теорија предложува дека неутралните мутации се одговорни за голем дел од промените во низата на ДНК кај еден вид. На пример, говедскиот и човечкиот инсулин, иако се разликуваат по аминокиселинската низа, сè уште можат да ја вршат истата функција. Според тоа, замените на аминокиселините помеѓу видовите се неутрални или не влијаат на функцијата на белковината. Неутралната мутација и неутралната теорија за молекуларната еволуција не се одвоени од природното одбирање, туку додаваат на првичните мисли на Дарвин. Мутациите можат да дадат предност, да создадат недостаток или да не направат мерлива разлика во опстанокот на организмот.
Во неутралната теорија биле предвидени голем број на набљудувања поврзани со неутрална мутација, вклучувајќи: аминокиселините со слични биохемиски својства треба да се заменувани почесто од биохемиски различните аминокиселини; синонимните замени на базите треба да се набљудувани почесто од несинонимните замени; интроните треба да еволуираат со иста брзина како и синонимните мутации во кодираните егзони; и псевдогените исто така треба да се развиваат со слична брзина. Овие предвидувања се потврдени со воведувањето на дополнителни генетски податоци од воведувањето на теоријата.
3 Видови
3.1 Синонимна мутација на базите
Кога ќе биде вметнат погрешен нуклеотид за време на репликацијата или транскрипцијата на кодиран регион, тоа може да влијае на евентуалното преведување на низата во аминокиселини. Бидејќи повеќе кодони се користени за исти аминокиселини, промената во една база сепак може да доведе до превод на истата аминокиселина. Овој феномен е нарекуван дегенерација и овозможува различни комбинации на кодони што доведуваат до производство на истата аминокиселина. На пример, шифрите TCT, TCC, TCA, TCG, AGT и AGC сите кодираат за аминокиселината серин. Ова може да биде објаснето со концептот на нишање. Френсис Крик ја предложил оваа теорија за да објасни зошто специфичните молекули на преносната РНК може да препознаат повеќе кодони. Областа на преносната РНК што го препознава кодонот наречен антикодон е способна да врзе повеќе заменливи бази на нејзиниот 5' крај поради неговата просторна слобода. Петтата база наречена инозин, исто така, може да биде супституирана на преносна РНК-и може да биде врзана со A, U или C. Оваа флексибилност овозможува промени во базите во кодоните што доведува до превод на истата аминокиселина. Промената на база во кодон без промена на преведената аминокиселина се нарекува синонимна мутација. Бидејќи преведената аминокиселина останува иста, синонимната мутација традиционално е сметана за неутрална мутација. Некои истражувања наведуваат дека постои пристрасност во изборот на замена на базата во синонимната мутација. Ова може да се должи на одбирачки притисок за подобрување на ефикасноста на преводот поврзан со најдостапните преносни РНК-и или едноставно мутациска пристрасност. Ако овие мутации влијаат на брзината на преводот или на способноста на организмот да произведува белковини, тие всушност може да влијаат на кондицијата на засегнатиот организам.
3.2 Неутрална замена на аминокиселини
Додека замената на база во некодирачка област на геномот може да направи мала разлика и да биде сметана за неутрална, базите замени во или околу гените може да влијаат на организмот. Некои базни замени доведуваат до синонимна мутација и без разлика во аминокиселината преведена како што е наведено погоре. Меѓутоа, базната замена, исто така, може да го промени генетскиот код, така што ќе се преведе различна аминокиселина. Овој вид на замена обично има негативен ефект врз белковината што е создаден и ќе биде елиминиран од населението преку прочистувачко одбирање. Меѓутоа, ако промената има позитивно влијание, мутацијата може да станува се почеста кај населението додека не стане фиксен генетски дел од тоа население. Организмите кои се менуваат преку овие две можности го сочинуваат класичниот поглед на природното одбирање. Трета можност е дека замената на аминокиселини прави мала или никаква позитивна или негативна разлика на засегнатата белковина. Белковините покажуваат одредена толеранција на промените во структурата на аминокиселините. Ова донекаде зависи од тоа каде во белковината е одвивана замената. Ако се појави во важна структурна област или во активно место, една замена на аминокиселина може да ја инактивира или суштински да ја промени функционалноста на белковината. Замените во други области може да бидат речиси неутрални и да се движат случајно со текот на времето.
4 Идентификација и мерење на неутралност
Неутралните мутации се мерени во населението и еволутивната генетика често со гледање на варијации во групите на население. Тие се измерени историски со гелна електрофореза за да бидат одредени честотите на алозимите. Статистичките анализи на овие податоци се користени за да бидат споредени варијациите со предвидените вредности врз основа на големината на населението, стапките на мутации и ефективната големина на населението. Раните набљудувања кои укажувале на повисока од очекуваната хетерозиготност и севкупни варијации во белковинските изоформи кои биле испитувани, поттикнале аргументи за улогата на одбирањето во одржувањето на оваа варијација наспроти постоењето на варијација преку ефектите на неутралните мутации што се појавуваат и нивната случајна распределба поради генетскиот нанос. Насобирањето на податоци врз основа на набљудуваниот полиморфизам доведе до создавање на неутралната теорија на еволуција. Според неутралната теорија на еволуција, стапката на фиксација кај население на неутрална мутација ќе биде директно поврзана со стапката на создавање на неутралниот алел.
Во првичните пресметки на Кимура, мутации со |2 N''s''|<1 или |''s''|≤1/(2N) се дефинирани како неутрални. Во оваа равенка, N е ефективна големина на населението и е квантитативно мерење на идеалната големина на населението што претпоставува такви постојани како еднакви соодноси на полови и без доселување, отселување, мутација или одбирање. Конзервативно, често е претпоставувано дека ефективната големина на населението е приближно една петтина од вкупната големина на населението.''s'' е коефициент на избор и е вредност помеѓу 0 и 1. Тоа е мерење на придонесот на генотипот за следото поколение каде што вредноста 1 би била целосно избрана против и нема да даде придонес, а 0 не е воопшто избрана против. Оваа дефиниција за неутрална мутација е критикувана поради фактот што многу големи ефективни големини на население може да направат мутациите со мали коефициенти на одбирање да изгледаат ненеутрални. Дополнително, мутациите со високи коефициенти на одбирање може да изгледаат неутрални кај многу мали групи на население. Испитливата хипотеза на Кимура и другите покажа дека полиморфизмот кај видовите е приближно оној што би бил очекуван во неутрален еволутивен модел.
За многу пристапи на молекуларната биологија, за разлика од математичката генетика, неутралните мутации претежно се претпоставуваат дека се оние мутации кои не предизвикуваат забележителен ефект врз функцијата на генот. Ова поедноставување го елиминира ефектот на малите алелни разлики во кондицијата и избегнува проблеми кога изборот има само мал ефект.
Раните убедливи докази за оваа дефиниција за неутрална мутација биле прикажани преку пониските стапки на мутации во функционално важните делови од гените како што е цитохромот c наспроти помалку важните делови и функционално заменливата природа на цитохром c кај цицачите во ин витро студиите. Нефункционалните псевдогени обезбедуваат повеќе докази за улогата на неутралните мутации во еволуцијата. Било покажано дека стапките на мутации кај псевдогените на глобинот на цицачите се многу повисоки од стапките на функционалните гени. Според новодарвиновата еволуција, вакви мутации ретко би требало да постојат бидејќи овие низи се нефункционални и позитивното одбирање не би можело да функционира.
Мекдоналд-Крајтмановиот тест е користен за проучување на одбирањето во долги периоди на еволутивно време. Ова е статистички тест кој го споредува полиморфизмот на неутрални и функционални места и проценува на кој дел од замените е делувано со позитивно одбирање. Тестот често користи синонимни замени во гените за кодирање на белковини како неутрална компонента; сепак, во многу случаи било покажано дека синонимните мутации се под прочистувачко одбирање.
5 Молекуларни часовници
Молекуларните часовници може да бидат користени за да биде проценето времето од дивергенцијата на два вида и за поставување на еволутивните настани во времето. Полинг и Цукеркандл, ја предложил идејата за молекуларниот часовник во 1962 година врз основа на набљудувањето дека процесот на случајна мутација се случува со приближна постојана брзина. Било покажано дека поединечните белковини имаат линеарни стапки на промени на аминокиселините во текот на еволутивното време. И покрај контроверзите од некои биолози кои тврдат дека морфолошката еволуција нема да продолжи со постојана брзина, било покажано дека многу промени на аминокиселините се акумулираат на постојан начин. Кимура и Охта ги објаснија овие стапки како дел од рамката на неутралната теорија. Овие мутации биле сметани за неутрални бидејќи позитивното одбирање треба да биде ретко и штетните мутации треба брзо да бидат елиминирани од населението. Со ова размислување, собирањето на овие неутрални мутации треба да биде само под влијание на стапката на мутација. Затоа, неутралната стапка на мутација кај поединечните организми треба да одговара на стапката на молекуларна еволуција кај видовите во текот на еволутивното време. Стапката на неутрална мутација е под влијание на количината на неутрални места во белковината или низата на ДНК наспроти количината на мутација во местата кои се функционално ограничени. Со квантифицирање на овие неутрални мутации во белковината и/или ДНК и споредувајќи ги помеѓу видовите или другите групи на интерес, може да бидат одредени стапките на дивергенција.
Молекуларните часовници предизвикале контроверзии поради датумите што ги добиваат за настани како што се експлозивните зрачења видени по настаните на истребување како камбриската експлозија и зрачењето на цицачите и птиците. Постојат двојни разлики во датумите добиени од молекуларните часовници и фосилните записи. Додека некои палеонтолози тврдат дека молекуларните часовници се системски неточни, други ги припишуваат разликите на недостатокот на робусни фосилни податоци и пристрасност во земање примероци. Иако не е без постојаност и несогласувања со фосилните записи, податоците од молекуларните часовници покажале како еволуцијата е доминирана од механизмите на неутрален модел и е помалку под влијание на дејството на природното одбирање.
6 Поврзано
* Кодонска дегенерација
* Тивка мутација