Нейтральная теория молекулярной эволюции

Нейтральная теория молекулярной эволюции (также известная как теория нейтральности) — это концепция в эволюционной биологии и молекулярной генетике, согласно которой подавляющее большинство мутаций на молекулярном уровне (в последовательностях ДНК и белков) не имеют адаптивного значения и не подвергаются действию естественного отбора. Такие мутации являются селективно нейтральными или почти нейтральными, и их судьба в популяции определяется главным образом случайными процессами — генетическим дрейфом, а не отбором. Теория была предложена японским биологом Мотоо Кимурой в 1968 году и независимо сформулирована американскими генетиками Джеком Кингом и Томасом Джуксом в 1969 году.

История возникновения

Предпосылки

До середины XX века в эволюционной биологии доминировала синтетическая теория эволюции (СТЭ), основанная на дарвиновском естественном отборе. Согласно СТЭ, все генетические изменения, закрепляющиеся в популяциях, имеют адаптивный характер. Однако с развитием молекулярной биологии и появлением методов секвенирования белков и ДНК стали накапливаться данные, которые не укладывались в эту модель. В частности, было обнаружено, что:

• Уровень полиморфизма (генетической изменчивости) в популяциях значительно выше, чем ожидалось при отборе.
• Скорость эволюции белков (например, гемоглобина) оказалась удивительно постоянной для разных линий (так называемые «молекулярные часы»), что плохо согласуется с идеей отбора, действующего неравномерно.

Формулировка теории

В 1968 году Мотоо Кимура, работавший в Национальном институте генетики Японии, опубликовал статью «Evolutionary rate at the molecular level» (Скорость эволюции на молекулярном уровне), в которой показал, что скорость замен аминокислот в белках слишком высока, чтобы все они были результатом положительного отбора. Он предположил, что большинство замен являются нейтральными и фиксируются случайно. В 1969 году Джек Кинг и Томас Джукс в статье «Non-Darwinian evolution» (Недарвиновская эволюция) независимо пришли к аналогичным выводам.

Реакция научного сообщества

Первоначально теория была встречена скептически, особенно со стороны сторонников панадаптационизма (например, Эрнста Майра и Ричарда Докинза). Однако по мере накопления генетических данных (секвенирование ДНК, анализ полиморфизмов) нейтральная теория получила широкое признание как важное дополнение к синтетической теории эволюции. В 1990-е годы она была уточнена и расширена в рамках «почти нейтральной теории» (Tomoko Ohta, 1973), которая учитывает мутации с малым, но не нулевым эффектом отбора.

Основные положения

Нейтральные мутации

Нейтральная мутация — это изменение в последовательности ДНК, которое не влияет на приспособленность (фитнес) организма. Такие мутации могут возникать:

• В некодирующих участках ДНК (интроны, межгенные области, псевдогены).
• В кодирующих участках, но не приводящие к замене аминокислоты (синонимичные замены).
• В кодирующих участках, приводящие к замене аминокислоты, если новая аминокислота функционально эквивалентна старой (например, замена валина на изолейцин).

Генетический дрейф

Основной механизм, определяющий судьбу нейтральных мутаций — это генетический дрейф, то есть случайные изменения частот аллелей в популяции из поколения в поколение. В отличие от отбора, дрейф не зависит от приспособленности и особенно эффективен в малых популяциях. Вероятность фиксации нейтральной мутации равна её начальной частоте (1/2N для диплоидной популяции из N особей). Время фиксации в среднем составляет около 4N поколений.

Молекулярные часы

Нейтральная теория объясняет, почему скорость эволюции белков и ДНК примерно постоянна во времени (молекулярные часы). Если большинство замен нейтральны, то их частота определяется скоростью мутагенеза, которая относительно стабильна. Отбор, напротив, может ускорять или замедлять эволюцию в зависимости от условий среды.

Соотношение отбора и нейтральности

Теория не отрицает существования адаптивных мутаций и естественного отбора, но утверждает, что на молекулярном уровне доля нейтральных изменений значительно превышает долю адаптивных. По оценкам Кимуры, лишь около 10% замен аминокислот в белках являются адаптивными, остальные 90% — нейтральны или почти нейтральны.

Классификация мутаций по эффекту на приспособленность

Адаптивные (полезные)

Мутации, повышающие приспособленность организма. Они закрепляются отбором (положительный отбор), но встречаются редко. Примеры: мутации, дающие устойчивость к антибиотикам у бактерий.

Вредные (вредные)

Мутации, снижающие приспособленность. Они удаляются из популяции очищающим отбором (отрицательный отбор). Большинство мутаций в функционально важных генах (например, в генах, кодирующих ферменты) являются вредными.

Нейтральные

Мутации, не влияющие на приспособленность. Их судьба определяется дрейфом. К ним относятся большинство синонимичных замен и замен в некодирующих областях.

Почти нейтральные

Мутации с очень слабым эффектом (как слабо полезные, так и слабо вредные). В больших популяциях отбор может их отсеивать или закреплять, но в малых популяциях они ведут себя как нейтральные. Эта категория особенно важна для «почти нейтральной теории» Томоко Оты.

Применение и значение

Филогенетика и систематика

Нейтральная теория лежит в основе методов молекулярной филогенетики, таких как построение филогенетических деревьев на основе сравнения последовательностей ДНК. Поскольку нейтральные замены накапливаются с постоянной скоростью, они позволяют оценивать время расхождения видов (молекулярные часы). Это используется для датировки эволюционных событий, например, расхождения человека и шимпанзе (около 6–7 млн лет назад).

Популяционная генетика

Теория объясняет наблюдаемый уровень генетического полиморфизма в популяциях. Например, в популяциях человека частота полиморфизмов в некодирующих областях значительно выше, чем в кодирующих, что согласуется с нейтральной моделью.

Медицинская генетика

Понимание нейтральных мутаций важно для интерпретации данных секвенирования генома. Нейтральные варианты (например, синонимичные замены) не вызывают заболеваний, но могут быть маркерами для картирования генов. В то же время, почти нейтральные мутации с малым эффектом могут вносить вклад в предрасположенность к сложным заболеваниям.

Эволюционная биология

Нейтральная теория уточнила представления о роли случайности в эволюции. Она показала, что не все эволюционные изменения являются результатом адаптации, и что значительная часть генетического разнообразия является «шумом» эволюции.

Критика и ограничения

Недостаточность для объяснения адаптивной эволюции

Критики (например, Ричард Левонтин, Джон Мейнард Смит) указывали, что нейтральная теория не объясняет, как возникают сложные адаптации (например, глаз, крылья). Она применима только к молекулярному уровню, но не к морфологическому или поведенческому.

Проблема «почти нейтральных» мутаций

Граница между нейтральными и слабо вредными мутациями размыта. В больших популяциях (например, у бактерий) даже слабо вредные мутации могут удаляться отбором, что снижает долю нейтральных изменений. В малых популяциях, напротив, многие слабо вредные мутации могут фиксироваться.

Нарушение молекулярных часов

Скорость молекулярных часов не всегда постоянна: она может варьировать между линиями из-за различий в скорости мутагенеза, эффективности отбора или размере популяции. Это ограничивает точность филогенетических датировок.

Роль положительного отбора

Современные исследования (например, анализ полиморфизмов в популяциях человека) показывают, что доля адаптивных мутаций может быть выше, чем предполагал Кимура, особенно в генах, связанных с иммунитетом, репродукцией и адаптацией к окружающей среде.

Современное состояние

Нейтральная теория как нулевая модель

В современной эволюционной геномике нейтральная теория используется как нулевая гипотеза для проверки наличия отбора. Если наблюдаемый полиморфизм или скорость эволюции отклоняются от предсказаний нейтральной модели, это может указывать на действие отбора. Для этого разработаны статистические тесты, такие как тест Макдональда-Крейтмана, тест Тадзимы, тест на соотношение синонимичных и несинонимичных замен (dN/dS).

Почти нейтральная теория

Томоко Ота (1973) модифицировала нейтральную теорию, включив в неё мутации с малым эффектом. Эта теория лучше объясняет данные для разных размеров популяций: в больших популяциях отбор более эффективен, поэтому доля нейтральных мутаций ниже, а в малых — выше.

Геномика и нейтральная эволюция

Секвенирование геномов многих видов подтвердило, что большая часть генома (особенно у эукариот) состоит из некодирующих последовательностей, которые эволюционируют преимущественно нейтрально. Например, у человека около 98% генома не кодирует белки, и большая часть этих областей подвержена дрейфу.

См. также

• Естественный отбор
• Генетический дрейф
• Молекулярные часы
• Синтетическая теория эволюции
• Почти нейтральная теория

Источники

• Kimura M. Evolutionary rate at the molecular level // Nature. — 1968. — Vol. 217. — P. 624–626.
• King J. L., Jukes T. H. Non-Darwinian evolution // Science. — 1969. — Vol. 164. — P. 788–798.
• Ohta T. Slightly deleterious mutant substitutions in evolution // Nature. — 1973. — Vol. 246. — P. 96–98.
• Kimura M. The Neutral Theory of Molecular Evolution. — Cambridge University Press, 1983. — 367 p.
• Nei M., Kumar S. Molecular Evolution and Phylogenetics. — Oxford University Press, 2000. — 333 p.
• Lynch M. The Origins of Genome Architecture. — Sinauer Associates, 2007. — 494 p.