Evolutionær afstand

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 18. februar 2015; checks kræver 10 redigeringer .

Evolutionær afstand er en størrelse, der karakteriserer de genetiske forskelle mellem to organismer. Det findes ved at sammenligne nukleotidsekvenserne af homologe gener. Et mål for genetiske forskelle er procentdelen af nukleotid-mismatch i de tilsvarende positioner af genet [1] .

Bestemmelsesmetoder

Parvis afstand

Den enkleste værdi, der karakteriserer den evolutionære afstand, er andelen af mismatchede nukleotider i en parvis sammenligning af de tilsvarende positioner i genet. Denne mængde kaldes "parvis afstand" (normalt angivet med symbolet p ).

For eksempel, når man sammenligner de følgende to områder af genet

CAGACAGTCA CA C AC T G C CA

der er tre fejlparringer pr. 10 nukleotider, p = 0,3.

Parvis afstand beskriver ikke tilstrækkeligt de evolutionære forskelle mellem organismer:

Da sandsynligheden for deres tilfældige sammenfald i de tilsvarende positioner for to absolut arbitrære sekvenser af nukleotider er 25 %, er den parvise afstand mellem to helt fremmede DNA-segmenter i gennemsnit p = 0,75, mens den ifølge betydningen bør være p = 1.
Parvis afstand tager ikke højde for den forskellige sandsynlighed for forskellige nukleotidsubstitutioner.
Parvis afstand tager ikke højde for muligheden for flere mutationer i samme position.

Ulemperne ved den parvise afstand elimineres ved at bruge mere komplekse formler til bestemmelse af afstanden:

Jukes-Cantor Metode
Tajima-Nei metode
Kimura metode
Tamura metode
Tamura-Nei metode

og andre metoder.

Jukes-Cantor-metoden

Jukes-Cantor-metoden [ 2] er det enkleste forsøg på at udelukke tilfældige nukleotidmatches fra overvejelse, hvis sandsynlighed er 25 %. Dette er en metode med én parameter, der bruger andelen af nukleotid-fejlparringer (dvs. parvis afstand p ) som en parameter. Afstanden beregnes ved hjælp af følgende formel

d_{JC}=-{\frac {3}{4}}\ln \left(1-{\frac {4p}{3}}\right).

Metoden antager, at alle fire nukleotider (A, C, T, D) er til stede i DNA i samme forhold, og sandsynligheden for at erstatte et nukleotid med et andet er den samme for ethvert nukleotidpar.

Som det kan ses af formlen, giver udtrykket for p > 0,75 ikke mening (negativt udtryk under logaritmens fortegn). Dette er en ulempe ved metoden, da situationer med p > 0,75 (mere end 75% af forskellige nukleotider) i princippet ikke er udelukket.

Formlen blev foreslået i 1965, ved begyndelsen af forskning inden for molekylærbiologi, af Thomas Jukes , en professor i kemi ved University of Californiaog en studerende fra samme fakultet, Charles Cantor. I midten af 1960'erne nåede biokemisk teknologi et niveau, hvor det blev muligt at dechifrere individuelle fragmenter af DNA og aminosyresekvenser af proteiner. Dette gjorde det muligt ved at sammenligne nukleotidsekvenser at spore forskellige organismers evolutionære nærhed og individuelle arters evolutionære veje. Jukes og Kantor var blandt pionererne i formaliseringen af denne metode, og Kantor blev forfatter til et af de første computerprogrammer til analyse af nukleotidsekvenser [3] .

Som et eksempel på anvendelsen af formlen kan fragmenter af gener, der koder for humant a- og β-hæmoglobin, nævnes. Det menes, at for omkring 400 millioner år siden stammede begge gener fra det samme forfædres gen [3] .

ACCAACGTCAAGGCCGCCTGGGGTAAGGTT (α-hæmoglobin) TCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGGAAGGTG (β-hæmoglobin)

Fragmentsammenligning afslører 12 forskelle pr. 30 nukleotider ( p = 0,4). En simpel uoverensstemmelsesberegning tager dog ikke højde for sandsynligheden for, at flere mutationer forekom i nogle positioner, herunder dem, der førte til genoprettelse af det oprindelige nukleotid. Jukes-Cantor-formlen giver afstand

d_{JC}=-{\frac {3}{4}}\ln 0.467=0.572.

Det følger således af formlen, at under hensyntagen til flere substitutioner, forekom 0,572·30=17 mutationer i det betragtede DNA-fragment.

Kimura-metoden

Motoo Kimura foreslog en metode til at beregne afstanden, som blev kaldt "Kimura 2-parameter distance" ( engelsk Kimura 2-parameter distance, K2P ). Kimura-modellen antager, at forskellige varianter af nukleotidsubstitutioner ikke er lige sandsynlige og overvejer to typer substitutioner:

Overgang - udskiftning af et nukleotid uden at ændre dets type, for eksempel udskiftning af en purinbase med en purinbase (A ↔ G) eller en pyrimidin med en pyrimidin (C ↔ T).
Transversion er en ændring i typen af base fra purin til pyrimidin eller omvendt (A eller G ↔ C eller T).

Afstanden i Kimura-modellen bestemmes af formlen

d_{K2P}=-{\frac {1}{2}}\ln(1-2P-Q)-{\frac {1}{4}}\ln(1-2Q),

hvor P er andelen af overgange, Q er andelen af transversioner.

Tager vi som eksempel den evolutionære afstand mellem α- og β-hæmoglobingenfragmenter, får vi:

ACCAACGTCAAGGCCGCCTGGGGTAAGGTT (α-hæmoglobin) TCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGGAAGGTG (β-hæmoglobin) Q PPQ P QQ QPQ QQ

P={\frac {2}{15));~~Q={\frac {4}{15));

d_{K2P}=-{\frac {3}{4}}\ln {\frac {7}{15}}=0,572.

Tajima-Nei-metoden

I Tajima- Ney -modellen er afstanden bestemt af følgende relationer [4] :

d=-b\ln \left(1-{\frac {p}{b}}\right),

hvor

b={\frac {1}{2}}\left(1-\sum _{i=1}^{4}g_{i}^{2}+{\frac {p^{2} }{c}}\right);

c=\sum _{i=1}^{3}\sum _{j=i+1}^{4}{\frac {x_{ij}^{2}}{2g_{i}g_ {j}}};

x ij — relative frekvenser af nukleotidpar; g i - relative frekvenser af nukleotider.

Lad os som et eksempel beregne afstanden mellem fragmenter af gener, der koder for humant α- og β-hæmoglobin.

ACCAACGTCAAGGCCGCCTGGGGTAAGGTT (α-hæmoglobin) TCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGGAAGGTG (β-hæmoglobin)

Nukleotid _	xij _			gi _
Nukleotid _	EN	T	C	gi _
EN				10/60 = 0,167
T	1/30 = 0,0333			13/60 = 0,217
C	2/30 = 0,0667	3/30 = 0,100		15/60 = 0,250
G	1/30 = 0,0333	3/30 = 0,100	2/30 = 0,0667	22/60 = 0,367

c={\frac {0.0333}{2\cdot 0.167\cdot 0.217}}+{\frac {0.0667}{2\cdot 0.167\cdot 0.250}}+{\frac {0.0333 }{0.167 \cdot 0.367}}

\ +{\frac {0.1}{2\cdot 0.217\cdot 0.250}}+{\frac {0.1}{2\cdot 0.217\cdot 0.367}}+{\frac {0.0333 }{2\cdot 0.250 \cdot 0,367}}=0,257;

b=0.5\cdot \left(1-0.167^{2}-0.217^{2}-0.250^{2}-0.367^{2}+0.4^{2}/0.257\right )=0.622.

d=-0.622\cdot \ln \left(1-{\frac {0.4}{0.622}}\right)=0.641.

I nogle kilder kaldes Tajima-Nei-afstanden for beregningen ved hjælp af en enklere formel

d=-b\ln \left(1-{\frac {p}{b}}\right),

hvor

b=1-\sum _{i=1}^{4}g_{i}^{2}.

I det tilfælde, hvor alle nukleotider forekommer med samme frekvens ( gi = 0,25 ), falder denne formel sammen med Jukes-Cantor-formlen ( b = 0,75).

Beregninger ved hjælp af disse formler giver det samme eksempel

\ b=1-0,167^{2}-0,217^{2}-0,250^{2}-0,367^{2}=0,728.

d=-0.728\cdot \ln \left(1-{\frac {0.4}{0.728}}\right)=0.580.

Noter

↑ Ordliste over termer brugt i molekylær evolution, populationsgenetik og molekylærbiologi Arkiveret 28. januar 2007 på Wayback Machine . På hjemmesiden for Council of People's Commissars i afdelingen for generel kemi ved det hviderussiske statsmedicinske universitet.
↑ TH Jukes , CR Cantor (1969) Evolution of protein molecules. I HN Munro, red., Mammalian Protein Metabolism, pp. 21-132, Academic Press, New York.
↑ 1 2 Thomas H. Jukes (30. april, 1990) Hvor mange nudeotid-substitutioner fandt der faktisk sted? Aktuelle konkurrencer: 33 (18), s. 21.
↑ Sudhir Kumar, Koichiro Tamura og Masatoshi Nei . 4.1 Nukleotidsubstitutioner . MEGA: Molekylær evolutionær genetikanalyse. Version 1.01 . MEGA, Molecular Evolutionary Genetics Analysis (1993). Hentet: 18. februar 2015.

Se også

Substitutionsmodel
Modeller af DNA-evolution
Neutral teori om molekylær evolution
da: Den neutrale teori om molekylær evolution
da: Næsten neutral teori om molekylær evolution
da: Molekylær evolution
da: Molekylær evolutions historie
Gendrift