Molekulare Uhr - Molecular clock

Nicht zu verwechseln mit chemischer Uhr .

Teil einer Serie über
Evolutionsbiologie
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Darwins Finken von John Gould
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Die molekulare Uhr ist ein bildhafter Begriff für eine Technik, die aus der Mutationsrate von Biomolekülen den Zeitpunkt in der Vorgeschichte ableitet, zu dem zwei oder mehr Lebensformen divergierten . Die biomolekulare Daten für diese Berechnungen verwendet werden , sind in der Regel Nucleotid - Sequenzen für die DNA , RNA oder Aminosäuresequenzen für Proteine . Maßstab für die Bestimmung der Mutationsrate sind oft fossile oder archäologische Daten. Die molekulare Uhr wurde erstmals 1962 an den Hämoglobin-Proteinvarianten verschiedener Tiere getestet und wird in der molekularen Evolution häufig verwendet , um Zeiten der Artbildung oder Bestrahlung abzuschätzen . Sie wird manchmal auch Genuhr oder Evolutionsuhr genannt .

Frühe Entdeckung und genetische Äquidistanz

Die Vorstellung von der Existenz einer sogenannten "molekularen Uhr" wurde zuerst Émile Zuckerkandl und Linus Pauling zugeschrieben, die 1962 bemerkten, dass sich die Anzahl der Aminosäureunterschiede im Hämoglobin zwischen verschiedenen Abstammungslinien ungefähr linear mit der Zeit ändert , wie aus fossiler Beweis. Sie verallgemeinerten diese Beobachtung, um zu behaupten, dass die Geschwindigkeit der evolutionären Veränderung eines bestimmten Proteins im Laufe der Zeit und über verschiedene Abstammungslinien ungefähr konstant war (bekannt als die Hypothese der molekularen Uhr ).

Das Phänomen der genetischen Äquidistanz wurde erstmals 1963 von Emanuel Margoliash festgestellt , der schrieb: "Es scheint, dass die Anzahl der Rückstandsunterschiede zwischen Cytochrom c zweier Arten hauptsächlich durch die Zeit bedingt ist, die seit den Evolutionslinien, die ursprünglich zu diesen beiden Arten führten, verstrichen ist Wenn dies richtig ist, sollte sich das Cytochrom c aller Säugetiere gleich vom Cytochrom c aller Vögel unterscheiden sollte sich gleich vom Cytochrom c von Fischen unterscheiden. Ebenso sollte sich das Cytochrom c aller Vertebraten gleich vom Hefeprotein unterscheiden." Zum Beispiel beträgt der Unterschied zwischen dem Cytochrom c eines Karpfens und eines Frosches, einer Schildkröte, eines Huhns, eines Kaninchens und eines Pferdes sehr konstant 13% bis 14%. Ebenso liegt der Unterschied zwischen dem Cytochrom c eines Bakteriums und Hefe, Weizen, Motte, Thunfisch, Taube und Pferd zwischen 64% und 69%. Zusammen mit den Arbeiten von Emile Zuckerkandl und Linus Pauling führte das Ergebnis der genetischen Äquidistanz in den frühen 1960er Jahren direkt zur formalen Postulierung der Hypothese der molekularen Uhr.

In ähnlicher Weise zeigten Vincent Sarich und Allan Wilson im Jahr 1967, dass molekulare Unterschiede zwischen modernen Primaten in Albuminproteinen zeigten, dass in allen von ihnen untersuchten Abstammungslinien ungefähr konstante Änderungsraten aufgetreten waren. Die grundlegende Logik ihrer Analyse bestand darin zu erkennen, dass, wenn sich eine Artlinie seit ihrem gemeinsamen Vorfahren schneller entwickelt hat als eine Schwesterartlinie, dann die molekularen Unterschiede zwischen einer Fremdgruppe (entfernter verwandter) Art und der sich schneller entwickelnden Art größer sein sollten ( da sich auf dieser Linie mehr molekulare Veränderungen angesammelt hätten) als die molekularen Unterschiede zwischen den Fremdgruppenarten und den sich langsamer entwickelnden Arten. Diese Methode wird als Relativratentest bezeichnet . Die Veröffentlichung von Sarich und Wilson berichtete zum Beispiel, dass immunologische Kreuzreaktionen von Albumin bei Mensch ( Homo sapiens ) und Schimpanse ( Pan troglodytes ) darauf hindeuteten, dass sie sich ungefähr gleich von Ceboidea -Arten (Neuweltaffen) unterschieden (innerhalb des experimentellen Fehlers). Dies bedeutete, dass sie beide seit ihrem gemeinsamen gemeinsamen Vorfahren ungefähr gleiche Veränderungen des Albumins angesammelt hatten. Dieses Muster wurde auch für alle von ihnen getesteten Primatenvergleiche gefunden. Bei der Kalibrierung mit den wenigen gut dokumentierten fossilen Verzweigungspunkten (wie z. B. keine Primatenfossilien modernen Aussehens vor der KT-Grenze gefunden wurden ), führte dies dazu, dass Sarich und Wilson argumentieren, dass die Mensch-Schimpansen-Divergenz wahrscheinlich erst vor ~4–6 Millionen Jahren aufgetreten ist .

Beziehung zur neutralen Theorie

Die Beobachtung einer uhrenähnlichen Geschwindigkeit molekularer Veränderungen war ursprünglich rein phänomenologisch . Später entwickelte die Arbeit von Motoo Kimura die neutrale Theorie der molekularen Evolution , die eine molekulare Uhr vorhersagte. Es gebe N Individuen, und um diese Rechnung einfach zu halten, seien die Individuen haploid (dh sie haben eine Kopie jedes Gens). Die Rate der neutralen Mutationen (dh Mutationen ohne Auswirkung auf die Fitness ) in einem neuen Individuum sei . Die Wahrscheinlichkeit, dass sich diese neue Mutation in der Population festsetzt, beträgt dann 1/N, da jede Kopie des Gens so gut ist wie jede andere. Jede Generation, jedes Individuum kann neue Mutationen haben, es gibt also N neue neutrale Mutationen in der Gesamtpopulation. Das bedeutet, dass in jeder Generation neue neutrale Mutationen fixiert werden. Wenn die meisten während der molekularen Evolution beobachteten Veränderungen neutral sind, akkumulieren sich Fixierungen in einer Population mit einer Taktrate, die gleich der Rate neutraler Mutationen in einem Individuum ist.

Kalibrierung

Die molekulare Uhr allein kann nur sagen, dass ein Zeitraum doppelt so lang ist wie ein anderer: konkrete Daten kann sie nicht zuordnen. Für virale Phylogenetik und alte DNA- Studien – zwei Bereiche der Evolutionsbiologie, in denen es möglich ist, Sequenzen über eine evolutionäre Zeitskala abzutasten – können die Daten der Zwischenproben verwendet werden, um die molekulare Uhr genauer zu kalibrieren. Die meisten Phylogenien erfordern jedoch, dass die molekulare Uhr mit unabhängigen Daten über Daten, wie zum Beispiel Fossilien , kalibriert wird . Es gibt zwei allgemeine Methoden zur Kalibrierung der molekularen Uhr anhand fossiler Daten: Knotenkalibrierung und Spitzenkalibrierung.

Knotenkalibrierung

Die Knotenkalibrierung wird manchmal als Knotendatierung bezeichnet und ist eine Methode zur Phylogeniekalibrierung , bei der fossile Beschränkungen an Knoten platziert werden. Ein Knotenkalibrierungsfossil ist der älteste entdeckte Vertreter dieser Klade , der verwendet wird, um ihr Mindestalter einzuschränken. Aufgrund der fragmentarischen Natur des Fossilienbestands wird der wahre jüngste gemeinsame Vorfahre einer Klade wahrscheinlich nie gefunden werden. Um dies bei Knotenkalibrierungsanalysen zu berücksichtigen, muss ein maximales Kladenalter geschätzt werden. Die Bestimmung des maximalen Alters der Kladen ist eine Herausforderung, da sie auf negativen Beweisen beruht – dem Fehlen älterer Fossilien in dieser Klade. Es gibt eine Reihe von Methoden zur Ableitung des maximalen Kladenalters mithilfe von Geburts-Tod-Modellen, fossilen stratigraphischen Verteilungsanalysen oder taphonomischen Kontrollen. Alternativ kann anstelle eines Maximums und eines Minimums eine vorherige Wahrscheinlichkeit der Divergenzzeit ermittelt und zur Kalibrierung der Uhr verwendet werden. Es gibt mehrere frühere Wahrscheinlichkeitsverteilungen, einschließlich normal , lognormal , exponentiell , gamma , uniform usw.), die verwendet werden können, um die Wahrscheinlichkeit des wahren Alters der Divergenz relativ zum Alter des Fossils auszudrücken; es gibt jedoch nur sehr wenige Verfahren zum empirischen Schätzen der Form und der Parameter der Wahrscheinlichkeitsverteilung. Die Platzierung der Kalibrierungsknoten im Baum informiert über die Platzierung der nicht eingeschränkten Knoten und gibt Schätzungen des Divergenzdatums über die Phylogenie hinweg. Historische Methoden der Uhrenkalibrierung konnten nur eine einzige fossile Einschränkung (nicht parametrische Frequenzglättung ) verwenden, während moderne Analysen ( BEAST und r8s ) die Verwendung mehrerer Fossilien zur Kalibrierung der molekularen Uhr ermöglichen. Simulationsstudien haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Anzahl fossiler Beschränkungen die Genauigkeit der Schätzung der Divergenzzeit erhöht.

Spitzenkalibrierung

Die Spitzenkalibrierung , manchmal auch als Tip-Datierung bezeichnet , ist eine Methode der molekularen Uhrkalibrierung, bei der Fossilien als Taxa behandelt und auf die Spitzen des Baumes gelegt werden. Dies wird erreicht, indem eine Matrix erstellt wird, die einen molekularen Datensatz für die existierenden Taxa zusammen mit einem morphologischen Datensatz sowohl für die ausgestorbenen als auch für die existierenden Taxa enthält. Im Gegensatz zur Knotenkalibrierung rekonstruiert diese Methode die Baumtopologie und platziert die Fossilien gleichzeitig. Molekulare und morphologische Modelle arbeiten gleichzeitig zusammen und ermöglichen es der Morphologie, die Platzierung von Fossilien zu informieren. Die Spitzenkalibrierung verwendet alle relevanten fossilen Taxa während der Uhrenkalibrierung, anstatt sich nur auf das älteste Fossil jeder Klade zu verlassen. Diese Methode beruht nicht auf der Interpretation negativer Beweise, um das maximale Alter der Kladen abzuleiten.

Gesamte Evidenzdatierung

Dieser Ansatz zur Spitzenkalibrierung geht noch einen Schritt weiter, indem er gleichzeitig die Platzierung von Fossilien, die Topologie und die evolutionäre Zeitskala abschätzt. Bei dieser Methode kann das Alter eines Fossils neben der Morphologie auch seine phylogenetische Position bestimmen. Dadurch, dass alle Aspekte der Baumrekonstruktion gleichzeitig auftreten, wird das Risiko verzerrter Ergebnisse verringert. Dieser Ansatz wurde durch die Kombination mit verschiedenen Modellen verbessert. Eine aktuelle Methode der molekularen Uhrkalibrierung ist die totale Evidenzdatierung, gepaart mit dem fossilisierten Geburts-Tod-Modell (FBD) und einem Modell der morphologischen Evolution. Das FBD-Modell ist insofern neu, als es „abgetastete Vorfahren“ ermöglicht, bei denen es sich um fossile Taxa handelt, die die direkten Vorfahren eines lebenden Taxons oder einer lebenden Linie sind . Dies ermöglicht es, Fossilien auf einem Ast über einem vorhandenen Organismus zu platzieren, anstatt auf die Spitzen beschränkt zu sein.

Methoden

Bayes-Methoden können geeignetere Schätzungen der Divergenzzeiten liefern, insbesondere wenn große Datensätze – wie die der Phylogenomik – verwendet werden.

Nicht konstante Geschwindigkeit der molekularen Uhr

Manchmal kann aus Fossilien nur ein einziges Divergenzdatum geschätzt werden, aus dem alle anderen Daten abgeleitet werden. Andere Artengruppen verfügen über zahlreiche Fossilien, die es ermöglichen, die Hypothese konstanter Divergenzraten zu testen. DNA-Sequenzen mit geringer negativer Selektion zeigten Divergenzraten von 0,7–0,8 % pro  Myr bei Bakterien, Säugetieren, Wirbellosen und Pflanzen. In derselben Studie waren genomische Regionen, die eine sehr hohe negative oder reinigende Selektion erfuhren (die rRNA kodieren), erheblich langsamer (1 % pro 50 Myr).

Neben einer solchen Variation der Rate mit der genomischen Position hat sich seit den frühen 1990er Jahren auch die Variation unter den Taxa als fruchtbarer Boden für die Forschung erwiesen, selbst über vergleichsweise kurze Zeiträume der Evolution (zB Spottdrosseln ). Röhrennasige Seevögel haben molekulare Uhren, die im Durchschnitt mit der halben Geschwindigkeit vieler anderer Vögel laufen, möglicherweise aufgrund der langen Generationszeiten , und viele Schildkröten haben eine molekulare Uhr, die mit einem Achtel der Geschwindigkeit kleiner Säugetiere oder sogar noch langsamer läuft. Auswirkungen einer kleinen Populationsgröße werden wahrscheinlich auch molekulare Uhrenanalysen durcheinanderbringen. Forscher wie Francisco J. Ayala haben die Hypothese der molekularen Uhr grundlegend in Frage gestellt. Laut Ayalas Studie aus dem Jahr 1999 schränken fünf Faktoren die Anwendung molekularer Uhrenmodelle ein:

  • Änderung der Generationszeiten (wenn die Rate neuer Mutationen zumindest teilweise von der Anzahl der Generationen und nicht von der Anzahl der Jahre abhängt)
  • Populationsgröße ( genetische Drift ist in kleinen Populationen stärker, daher sind mehr Mutationen effektiv neutral)
  • Artspezifische Unterschiede (aufgrund unterschiedlichen Stoffwechsels, Ökologie, Evolutionsgeschichte, ...)
  • Funktionsänderung des untersuchten Proteins (kann bei eng verwandten Arten durch Verwendung nicht kodierender DNA- Sequenzen oder Hervorhebung von stillen Mutationen vermieden werden )
  • Veränderungen in der Intensität der natürlichen Selektion.
Phylogramm mit drei Gruppen, von denen eine auffallend längere Äste hat als die beiden anderen
Holzige Bambusstämme (Stämme Arundinarieae und Bambuseae ) haben lange Generationszeiten und niedrigere Mutationsraten, was durch kurze Äste im phylogenetischen Baum ausgedrückt wird , als die sich schnell entwickelnden krautigen Bambusse ( Olyreae ).

Anwender von Molecular Clocks haben Workaround-Lösungen unter Verwendung einer Reihe statistischer Ansätze entwickelt, darunter Maximum-Likelihood- Techniken und später Bayes-Modelle . Insbesondere wurden Modelle vorgeschlagen, die die Ratenvariation zwischen den Abstammungslinien berücksichtigen, um bessere Schätzungen der Divergenzzeiten zu erhalten. Diese Modelle werden als relaxierte molekulare Uhren bezeichnet, weil sie eine Zwischenposition zwischen der 'strengen' molekularen Uhrenhypothese und dem Vielraten -Modell von Joseph Felsenstein darstellen und durch MCMC- Techniken ermöglicht werden, die eine gewichtete Reihe von Baumtopologien untersuchen und gleichzeitig Parameter von das gewählte Substitutionsmodell. Es muss daran erinnert werden, dass mit einer molekularen Uhr abgeleitete Divergenzdaten auf statistischen Schlussfolgerungen und nicht auf direkten Beweisen basieren .

Auf sehr kurzen und sehr langen Zeitskalen stößt die molekulare Uhr auf besondere Herausforderungen. Bei langen Zeitskalen ist das Problem die Sättigung . Wenn genug Zeit vergangen ist, haben viele Websites mehr als eine Änderung erfahren, aber es ist unmöglich, mehr als eine zu erkennen. Dies bedeutet, dass die beobachtete Anzahl der Veränderungen nicht mehr linear mit der Zeit ist, sondern sich abflacht. Selbst bei mittleren genetischen Entfernungen, bei denen phylogenetische Daten noch ausreichen, um die Topologie abzuschätzen, kann das Signal für die Gesamtskala des Baums unter komplexen Wahrscheinlichkeitsmodellen schwach sein, was zu sehr unsicheren Schätzungen der molekularen Uhr führt.

Auf sehr kurzen Zeitskalen repräsentieren viele Unterschiede zwischen den Proben nicht die Fixierung verschiedener Sequenzen in den verschiedenen Populationen. Stattdessen stellen sie alternative Allele dar , die beide als Teil eines Polymorphismus im gemeinsamen Vorfahren vorhanden waren. Die Einbeziehung noch nicht fixierter Unterschiede führt auf sehr kurzen Zeitskalen zu einer möglicherweise dramatischen Inflation der scheinbaren Geschwindigkeit der molekularen Uhr.

Verwendet

Die molekulare Uhrtechnik ist ein wichtiges Werkzeug in der molekularen Systematik , der Verwendung molekulargenetischer Informationen, um die korrekte wissenschaftliche Klassifizierung von Organismen zu bestimmen oder die Variation von selektiven Kräften zu untersuchen. Die Kenntnis einer ungefähr konstanten Geschwindigkeit der molekularen Evolution in bestimmten Abstammungslinien erleichtert auch die Schätzung der Daten phylogenetischer Ereignisse, einschließlich solcher, die nicht durch Fossilien dokumentiert sind , wie die Divergenzen zwischen lebenden Taxa . In diesen Fällen – insbesondere über lange Zeiträume – müssen die Grenzen der Hypothese der molekularen Uhr (oben) berücksichtigt werden; solche Schätzungen können um 50 % oder mehr abweichen.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links