- •1. Надежными филогенетическими маркерами могут служить лишь немногие молекулы
- •2. Надежный филогенетический маркер должен соответствовать определенным требованиям
- •3. Анализ вторичной структуры молекул рРнк облегчает выравнивание (элайнмент) последовательностей
- •4. Алгоритмы для построения филогенетических деревьев
- •5. Достоверность топологии филогенетического дерева можно проверить путем сравнения эволюции различных молекул
- •6. Прокариотам принадлежит значительно большая роль в эволюции жизни, чем считалось ранее
- •7. Прокариоты составляют две основные эволюционные линии: домен Archaea и домен Bacteria
- •8. В домене Bacteria выделено более 15 основных эволюционных линий
- •9. Палеохимические и геологические данные некоторым образом коррелируют с порядком ветвления, установленным по данным 16s-рРнк-анализа
Семинар. Филогенетические деревья и их интерпретация
-
Молекулярная филогения. Понятие филогенетического маркера и требования к нему.
-
Схема амплификации генов рРНК и межгенных спейсеров. Типы филогенетических деревьев. Проверка достоверности топологии филогенетического дерева.
-
Гипотезы конверсии и сегрегации.
-
Основные различия между эукариотами и двумя доменами прокариот (Bacteria и Archaea) на молекулярном уровне.
-
Характеристика доменов. Отличительные характеристики архей.
1. Надежными филогенетическими маркерами могут служить лишь немногие молекулы
Современные живые организмы представляют собой результат эволюции, и структура их информационных молекул (первичные, вторичные и третичные семантиды), отражает эволюционную историю. В случае микроорганизмов единственным «историческим документом» служит первичная структура гомологичных информационных молекул. Количество и качество различий в аминокислотных последовательностях белков и нуклеотидных последовательностях ДНК отражают их филогенез и, следовательно, позволяют выделять пары или группы видов, имеющих общего предка. Таким образом, сравниваемые организмы могут быть ранжированы в соответствии с их эволюционной историей.
Последовательности всех секвенированных генов и видов рРНК состоят из участков, различающихся по степени консервативности, в зависимости от того, насколько функционально важен данный участок в молекуле РНК или белкового продукта гена. Области или отдельные позиции в одной молекуле, консервативные в различной степени, информативны для анализа филогенетических связей на различных таксономических уровнях. Если вариабельные участки полезны для оценки поздних эволюционных событий и тем самым для выявления ближайших родственных связей, то изменения в более консервативных участках указывают на более ранние эволюционные события, т. е. на отдаленное родство.
2. Надежный филогенетический маркер должен соответствовать определенным требованиям
Филогенетическое положение видов, как и высших таксонов, может быть точно установлено путем анализа филогенетических маркеров (последовательностей-«хронометров»), выбранных по определенным критериям. Наиболее полезными филогенетическими маркерами для данного филогенетического уровня служат такие последовательности, которые:
1) универсальны, т. е. присутствуют у всех представителей исследуемой группы родственных организмов,
2) гомологичны и ортологичны, т. е. не только происходят от общего предка, как вытекает из сходства последовательностей, но и функционально постоянны (поскольку функция определяется последовательностью, но в свою очередь через давление отбора характер изменения последовательности зависит от функции, анализ эволюционных связей следует применять только к функционально эквивалентным последовательностям или их продуктам);
3) генетически стабильны, т. е. относятся к так называемым генам «домашнего хозяйства», обеспечивающим основу жизнедеятельности клетки.
Если для такого анализа использовать гены, подверженные горизонтальному переносу, можно существенно исказить филогенетическую картину. Чтобы определить, приобретен ли ген в результате горизонтального переноса, выявляют «химерные признаки» молекул как возможные результаты рекомбинации, а также сравнивают результаты анализа с альтернативными филогенетическими построениями на основе других генов, предпочтительно такими, которые функционально не родственны данному. Наиболее часто в качестве филогенетических маркеров используют крупные молекулы рРНК.
В настоящее время наиболее широко используемыми филогенетическими маркерами служат рРНК больших и малых субъединиц рибосом (16S-или 23S-рРНК), в первую очередь 16S-рРНК. Эти последовательности соответствуют всем необходимым для филогенетического маркера требованиям, перечисленным выше. В последовательностях этих молекул чередуются константные (инвариантные), более или менее консервативные и высоковариабельные области. Частота нуклеотидных замен в различных позициях молекул рРНК весьма сильно варьирует. Иллюстрацией этого могут служить схематические модели вторичной структуры молекул 16S-рРНК (рис. 1, А) и 23S-рРНК (рис. 1, Б). Профили консервативности были определены путем сравнительного анализа свыше 1800 последовательностей 16S-рРНК и примерно 100 последовательностей 23S-рРНК представителей всех крупных групп домена Bacteria.
Рис. 1. Вторичные структуры РНК малой и большой субъединиц рибосом. Степень консервативности отдельных позиций нуклеотидов показана различными оттенками серого — от черного (полностью консервативные позиции) до белого (высоковариабельные позиции). Степень вариабельности оценивали по доле последовательностей, которые содержат один и тот же наиболее часто встречающийся нуклеотид в данной позиции.
A. 16S-РНК. Б. 23S-РНК. Молекула разделена на две части. Для большей наглядности 5'-половина и З'-половина молекулы изображены по отдельности.