4

Семинар. Филогенетические деревья и их интерпретация

1. Молекулярная филогения. Понятие филогенетического маркера и требования к нему.

2. Схема амплификации генов рРНК и межгенных спейсеров. Типы филогенетических деревьев. Проверка достоверности топологии филогенетического дерева.

3. Гипотезы конверсии и сегрегации.

4. Основные различия между эукариотами и двумя доменами прокариот (Bacteria и Archaea) на моле­кулярном уровне.

5. 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.