Rellotge molecular

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure.
Saltar a la navegació Saltar a la cerca
Evolució
CollapsedtreeLabels-simplified.svg
Mecanismes i processos

Adaptació
Deriva genètica
Saldos puntuats
Flux gènic
Mutació
Radiació adaptativa
Selecció artificial
Selecció ecològica
Selecció natural
Selecció sexual
Especiació

Història de l’evolució

Història del pensament evolutiu
Lamarckisme
Charles Darwin
L’origen de l’espècie
Neodarwinisme
Saltacionisme
Antievolucionisme

Àmbits de la Biologia Evolutiva

Biologia evolutiva del desenvolupament
Cladística
Evolució de la vida
Evolució molecular
Evolució dels vertebrats
Evolució dels dinosaures
Evolució dels insectes
Evolució dels ocells
Evolució dels mamífers
Evolució dels cetacis
Evolució dels primats
Evolució humana
Filogenètica
Genètica de poblacions
Genètica ecològica
Medicina evolutiva
Genòmica de la conservació

Portal de biologia · V · D · M

El rellotge molecular és una tècnica utilitzada en l’evolució molecular per estimar el temps transcorregut des de la separació entre dues espècies , començant per l’estudi de les diferències existents en l’ADN o en les seqüències d’ aminoàcids d’algunes proteïnes .

Aquesta tècnica es basa en la hipòtesi que les mutacions aleatòries, amb les quals evolucionen els gens , es produeixen amb freqüències gairebé constants al llarg del temps. Considerant vàlida aquesta suposició, es pot estimar el temps transcorregut des del moment en què es va produir la divergència entre dues espècies descendents d’un mateix avantpassat comú , simplement avaluant el nombre de diferències presents en les seqüències d’ADN relacionades o en les proteïnes corresponents.

Antecedents

El concepte de rellotge molecular va ser introduït el 1962 per Emile Zuckerkandl i Linus Pauling , que van assenyalar que les diferències en la composició d’ aminoàcids de l’ hemoglobina d’algunes espècies animals eren aproximadament proporcionals al temps de divergència de l’espècie calculat a partir de les dades fòssils . [1] Van generalitzar aquestes observacions afirmant que la freqüència dels canvis evolutius d'una determinada proteïna era aproximadament constant al llarg del temps i en diferents espècies.

El fenomen de l '"equidistància gènica" va ser observat per primera vegada per Emanuel Margoliash [2] el 1963; va escriure: “Sembla que el nombre de diferències residuals entre el citocrom c de dues espècies qualsevol està en gran mesura condicionat pel temps transcorregut des que les línies evolutives que condueixen a aquestes dues espècies es van separar originalment. Si això és correcte, el citocrom c de tots els mamífers hauria de ser igualment diferent del de tots els ocells. Atès que els peixos difereixen de l’arrel principal de l’evolució dels vertebrats abans tant dels ocells com dels mamífers, el citocrom c d’aquest darrer hauria de ser igualment diferent del dels peixos. De la mateixa manera, el citocrom c de tots els vertebrats hauria de diferir igualment de la proteïna del llevat ". Per exemple, la diferència entre el citocrom c d’una carpa, una granota, una tortuga. o el pollastre, el conill i el cavall es mantenen de manera estable al voltant del 13% -14%; de la mateixa manera, la diferència entre el citocrom c d’un bacteri i el llevat, el blat, l’arna, la tonyina, el colom i el cavall varia entre el 64% i el 69%. Juntament amb el treball d'Emile Zuckerkandl i Linus Pauling, l'evidència d'equidistància gènica va conduir directament a la formalització de la hipòtesi del rellotge molecular a principis dels anys seixanta. [3]

Enllaços amb la teoria de la neutralitat

L’observació d’una taxa de canvi molecular semblant al rellotge va ser al principi purament fenomenològica. Més tard, el treball de Mooto Kimura va desenvolupar la "teoria de l'evolució molecular neutra", que prediava l'existència d'un rellotge molecular. Donats N individus, per mantenir el càlcul simple, "haploide" (per exemple, posseint només una còpia de cada gen), i tenint en compte que la taxa de "mutacions neutres" (per exemple, mutacions que no tenen cap efecte sobre la forma física) en un individu nou és µ ; la probabilitat que una nova mutació sigui "fixa" a la població és, per tant, 1 / N, ja que cada còpia del gen és equivalent. A cada generació, cada individu pot presentar noves mutacions, de manera que hi haurà µN noves mutacions neutres a la població en general. Això significa que, amb cada generació, µ noves mutacions neutres entraran en la fixació. Si la majoria dels canvis observats durant l'evolució molecular són neutres, les "fixacions" s'acumularan a la població a un ritme de rellotge igual al de les mutacions neutres en un sol individu.

Calibratge

Per si sol, el rellotge molecular només pot ser informatiu del fet que un període de temps determinat és el doble que un altre; no pot establir dates reals. En els estudis de filogènia viral i d’ADN antic - dues àrees de la biologia evolutiva on és possible fer mostres de seqüències a escala evolutiva - es poden utilitzar les dates de les seqüències intermèdies per calibrar amb més precisió el rellotge molecular. No obstant això, la majoria dels estudis filogenètics requereixen calibrar el rellotge molecular en dades independents de la data, com ara un registre fòssil. [4] Hi ha, en general, dos mètodes de calibratge del rellotge mitjançant dades fòssils: el calibratge de nusos i el calibratge de la punta. [5]

Calibratge del node

El calibratge de nusos, també conegut com a data de nusos, és un mètode de calibratge filogenètic realitzat mitjançant la col·locació de restriccions fòssils als nusos. Un node de calibratge fòssil consisteix en el representant més antic conegut d’un determinat clado, que s’utilitza per limitar la seva edat mínima. A causa de la naturalesa fragmentada del registre fòssil, és probable que mai no es trobi l’avantpassat comú més recent d’un clado. Per abordar aquest problema en anàlisis de calibratge de nodes, s’ha d’estimar l’edat màxima del clado: això és difícil, ja que es basa en “evidències negatives”, com ara l’absència de fòssils més antics en aquest clado. Hi ha una sèrie d’estratègies per obtenir l’edat màxima del clade, mitjançant models de naixement-mort, anàlisis de distribució estratigràfica de fòssils o controls tafonòmics. Un cop estimada l’edat mínima i màxima del clado, s’estableix la “probabilitat a priori” del temps de divergència en funció de l’edat estimada en el node donat i s’utilitza per calibrar el rellotge. Hi ha diferents distribucions per a la probabilitat a priori (normal, log-normal, exponencial, gamma, uniforme, etc.) que es poden utilitzar per expressar la probabilitat del moment real de divergència en relació amb l’edat del fòssil. La col·locació de nodes restringits a fòssils a l'arbre explica la dels nodes lliures, donant estimacions de dates de divergència al llarg de la filogènia. Els primers mètodes de calibratge del rellotge es podrien basar en una única restricció fòssil (taxa de parametrització no paramètrica) [6] , mentre que els mètodes d’anàlisi moderns (BEAST i r8s) [7] permeten l’ús de més fòssils per calibrar el rellotge: simulacions va permetre observar com, en augmentar el nombre de restriccions fòssils a les anàlisis de BEAST, augmenta la precisió en estimar el temps de divergència.

Calibratge final [8]

El calibratge final, també conegut com a datació final, és un mètode de calibratge de rellotge molecular en el qual els fòssils es tracten com a tàxons i es col·loquen als extrems de l'arbre. Això s’aconsegueix construint una matriu que conté un conjunt de dades moleculars per a tàxons vius, juntament amb un segon conjunt de dades morfològics per a tàxons (tant extingits com vius). A diferència del calibratge de nodes, aquest mètode reconstrueix la topologia de l’arbre i col·loca els fòssils al mateix temps; els models moleculars i morfològics funcionen de manera simultània, permetent a la morfologia donar informació sobre el posicionament dels fòssils. El calibratge de les extremitats, en ajustar el rellotge, utilitza tots els tàxons fòssils rellevants, en lloc de dependre només dels més antics de cada clado; el mètode tampoc no es basa en la interpretació d’evidències negatives per inferir l’edat màxima dels clats.

Les fonts d'error en l'estimació temporal de l'escala evolutiva, mitjançant el calibratge de les extremitats, poden ser:

  • dates incorrectes durant el calibratge;
  • errors en els paràmetres dels models demogràfics, de substitució o de rellotge molecular.

Velocitat variable del rellotge molecular

De vegades, només es pot estimar una única data de divergència a partir dels fòssils, mentre que totes les altres dates es poden inferir a partir d’això. Hi ha abundants restes fòssils disponibles per a altres grups d’espècies, cosa que ens permet provar la hipòtesi del rellotge molecular de taxes de divergència constants. Les seqüències d’ADN sotmeses a nivells baixos de selecció negativa mostren taxes de divergència del 0,7-0,8% per milió d’anys en bacteris, mamífers, invertebrats i plantes. En el mateix estudi, les regions del genoma que estan sotmeses a una selecció negativa (o purificadora) (rRNA codificant) molt elevada tenen taxes de divergència considerablement més lentes (1% durant 50 milions d’anys). A més d’aquesta variació en la taxa de divergència en funció de la posició del genoma, des de principis dels anys noranta la variació entre els tàxons ha demostrat ser un terreny fèrtil per a la investigació, fins i tot a un nivell comparatiu en períodes curts de temps evolutiu. Els Procellariiformes tenen rellotges moleculars que funcionen de mitjana a una velocitat que és la meitat que la de moltes altres aus [9] , probablement això es deu a llargs temps de generació, a més moltes tortugues tenen un rellotge molecular que corre aproximadament una vuitena velocitat en petits mamífers, de vegades encara més lentament. [10] Fins i tot els efectes de poblacions petites confonen fàcilment les anàlisis de rellotges moleculars. Investigadors com Francisco Ayala han qüestionat fonamentalment la hipòtesi del rellotge molecular. [11] Segons l'estudi d'Ayala de 1999, cinc factors combinats junts limiten l'aplicació de models de rellotge molecular:

  • temps de generació variables (si la taxa de mutació depèn almenys parcialment del nombre de generacions en lloc del nombre d'anys);
  • mida de la població (la deriva genètica és més forta en poblacions petites, cosa que fa que la fixació de la mutació o les taxes de pèrdua siguin impredictibles);
  • diferències específiques de les espècies (a causa de diferents metabolismes, ecologia, història evolutiva, etc.);
  • canvi de funció de la proteïna estudiada (es pot evitar en espècies estretament relacionades mitjançant l'ús de seqüències d'ADN no codificants o fent èmfasi en mutacions silencioses);
  • canvis en la intensitat de la selecció natural.

Els usuaris de rellotges moleculars han desenvolupat solucions alternatives utilitzant diversos enfocaments estadístics, incloses tècniques de màxima versemblança i models Bayesians posteriors. En particular, s’han proposat models que tinguin en compte la taxa de canvi entre línies filètiques per obtenir millors estimacions dels temps de divergència. Aquests models s'anomenen rellotges moleculars relaxats [12] perquè representen una posició intermèdia entre la hipòtesi "rígida" del rellotge molecular i els models d'alta velocitat de Felsenstein [13] i s'ha pogut utilitzar aquests models gràcies a les tècniques MCMC que exploren una varietat ponderada de topologies d'arbres i simultàniament estimen els paràmetres del model de substitució escollit. Cal recordar que les dates de divergència deduïdes mitjançant el rellotge molecular es basen en inferències estadístiques i no en proves directes. El rellotge molecular té problemes particulars a escales de temps molt curtes i molt llargues. A llarg termini, el problema és la saturació: si ha passat prou temps, molts llocs han sofert més d’una mutació, però és impossible detectar la seqüència de canvis que es van produir al genoma; això vol dir que el nombre de canvis observats ja no creix linealment amb el pas del temps, sinó que s’aclareix. A escales de temps molt curtes, moltes diferències entre mostres no representen la fixació de diferents seqüències en diferents poblacions; al contrari, representen al·lels alternatius que estaven presents com a part del polimorfisme en l'avantpassat comú. La inclusió de diferències que encara no s’han corregit condueix a una inflació potencialment marcada de la velocitat aparent del rellotge molecular a escales de temps molt curtes. [14]

Mètodes

Els mètodes bayesians poden proporcionar estimacions més adequades dels temps de divergència, especialment quan s’utilitzen conjunts de dades grans, com els proporcionats per la filogenòmica. Un dels programes utilitzats en la inferència bayesiana i l’anàlisi del rellotge molecular és BEAST - acrònim de "Bayesian Evolutionary Analysis Sampling Trees" [15] - que es proposa com a marc general per a l'estimació de paràmetres i la prova d'hipòtesis en models evolutius, a partir de dades de seqüències moleculars. . L’algorisme subjacent a BEAST és la cadena de Monte Carlo Metropolis-Hastings Markov ( MCMC ), un algorisme estocàstic que retorna estimacions, basades en la mostra, per a la distribució d’interès escollida; la peculiaritat del programari és el seu fort enfocament en genealogies i filogenies calibrades, és a dir, arbres arrelats que incorporen una escala de temps. Això s’aconsegueix modelant la taxa d’evolució molecular de cada branca de l’arbre; la taxa pot ser, en el cas més senzill, uniforme per a tot l'arbre i ja coneguda o estimada; però amb l’avenç de la filogènia molecular i la introducció de models de rellotges moleculars relaxats [12] , que no prediuen una taxa constant entre les diferents línies, BEAST es va proposar per primera vegada com un programari que permet la inferència d’arbres filogenètics eficaços mitjançant aquests models.

A BEAST, es poden col·locar condicions d'informació a priori sobre tots els paràmetres (per exemple, es pot assignar una distribució exponencial a priori amb una mitjana predeterminada a l'edat de l'arrel de l'arbre):

  • model de recanvi;
  • model de tarifa inter-lloc;
  • model de la taxa entre les branques;
  • relacions dins de l'arbre;
  • distribució d'alçada del node (temporal) i topologia.

El programa rep com a entrada fitxers XML que descriuen les seqüències que s’han d’analitzar, els models, els operadors i els diversos paràmetres de sortida (fitxers de text que resumeixen la distribució a posteriori estimada per als valors paramètrics i els arbres); hi ha altres programes per ajudar l'usuari a preparar els fitxers d'entrada i analitzar la sortida:

  • BEAUti : paquet de programari Java distribuït amb BEAST que us permet generar fitxers d'entrada XML a través d'una interfície gràfica d'usuari;
  • Tracer : paquet de programari Java distribuït per separat per BEAST que proporciona una eina gràfica per a l'anàlisi de sortida MCMC (per tant, també és vàlid per a altres paquets de programari comuns com MrBayes).

Ús

La tècnica del rellotge molecular és una eina important en la filogenia molecular, que utilitza informació de la genètica molecular per determinar una classificació científica correcta dels organismes o per estudiar diferències en forces selectives. El coneixement de taxes d’evolució molecular gairebé constants en grups específics de llinatges facilita el reconeixement del moment dels esdeveniments filogenètics, inclosos els que no són suportats pels fòssils, com la divergència entre tàxons vius i en la construcció de l’arbre filogenètic. En aquests casos (és a dir, on les proves fòssils són escasses o absents), l’error en les estimacions de temps evolutius pot augmentar fins i tot més d’un 50%, sobretot tenint en compte els llargs períodes de temps.

Nota

  1. Zuckerkandl, E. i Pauling, LB (1962). "Malaltia molecular, evolució i heterogeneïtat gènica". A Kasha, M. i Pullman, B (editors). Horitzons en Bioquímica. Academic Press, Nova York. pàg. 189-225. ( PDF ), a evolocus.com .
  2. Margoliash E (octubre de 1963). "ESTRUCTURA PRIMÀRIA I EVOLUCIÓ DEL CICROM C". Proc. Natl. Acad. EUA 50 (4): 672-9. ( PDF ), a ncbi.nlm.nih.gov .
  3. Kumar S (agost de 2005). "Rellotges moleculars: quatre dècades d'evolució". Nat. Mossèn Genet. 6 (8): 654-62. , a ncbi.nlm.nih.gov .
  4. Benton, MJ i Donoghue, PCJ (2007). "Evidències paleontològiques que daten de l'arbre de la vida". Biologia molecular i evolució. 24 (1): 26-53. , a oup.silverchair-cdn.com .
  5. Donoghue, PCJ i Ziheng, Y. (2016). "L'evolució dels mètodes per establir períodes evolutius". Phil. Trans. R. Soc. B. 371 (1): 20160020. ( PDF ), a rstb.royalsocietypublishing.org .
  6. Sanderson, M. (1997). "Un enfocament no paramètric per estimar els temps de divergència en absència de constància de la taxa". Biologia molecular i evolució. 14: 1218–1231. ( PDF ), a pdfs.semanticscholar.org .
  7. Sanderson, M. (2003). "r8s: inferir taxes absolutes d'evolució molecular i temps de divergència en absència d'un rellotge molecular". Bioinformàtica. 19: 301-302. ( PDF ), a ufscar.br .
  8. Rieux A., Balloux F. (2016). "Inferències de filogènies calibrades per la punta: una revisió i una guia pràctica". Molecular Ecology (2016) 25, 1911-1924. ( PDF ), a ncbi.nlm.nih.gov .
  9. Rheindt, FE i Austin, J. (2005). "Principals mancances analítiques i conceptuals en una recent revisió taxonòmica dels Procellariiformes - Una resposta a Penhallurick i Wink (2004)". Emú. 105 (2): 181–186. , a publish.csiro.au .
  10. Avise, JC, Bowen, W., Lamb, T., Meylan, AB i Bermingham, E. (1 de maig de 1992). "Evolució de l'ADN mitocondrial a ritme de tortuga: evidència d'una baixa variabilitat genètica i d'una taxa microevolutiva reduïda als testudins". Biologia molecular i evolució. 9 (3): 457–473. , a oup.silverchair-cdn.com .
  11. Schwartz, JH i Maresca, B. (2006). "Els rellotges moleculars funcionen? Una crítica de la sistemàtica molecular". Teoria biològica. 1 (4): 357–371. , a researchgate.net .
  12. ^ a b Drummond, AJ, Ho, SYW, Phillips, MJ i Rambaut A. (2006). "Filogenètica relaxada i cites amb confiança". Biologia PLoS. 4 (5): e88. ( PDF ), a ncbi.nlm.nih.gov .
  13. Felsenstein, J (2001). "Tenint en compte la variació de les taxes evolutives entre llocs en inferir filogenies". J Mol Evol. 53 (4-5): 447-55. ( PDF ), a evolution.gs.washington.edu .
  14. Peterson GI, Masel J (2009). "Predicció quantitativa de rellotge molecular i Ka / Ks a curt termini". Biologia molecular i evolució. 26 (11): 2595-2603. ( PDF ), a ncbi.nlm.nih.gov .
  15. ^ Drummond, A.; Rambaut, A. (2007). "BEAST: anàlisi evolutiva bayesiana per mostreig d'arbres". BMC Biologia Evolutiva. 7: 214. , a bmcevolbiol.biomedcentral.com .

Bibliografia

  • Richard Dawkins , Epíleg del conte Onicophore , a The Ancestor's Tale. La gran història de l’evolució , Milà, Mondadori, 2006, pàgines 408-415, ISBN 88-04-56000-2 .
  • Drummond A., Rambaut A.; BESTIA / .

Articles relacionats

Enllaços externs