Теория и практика филогении применительно к прокариотам
Лекция 5
(часть лекции)
Вопросы:
Молекулы в качестве филогенетических маркеров. Выравнивание последовательностей НК. Роль алгоритма в построении филогенетического дерева. Достоверность топологии.
Реконструкция последовательности появления основных групп прокариот в ходе эволюции биосферы.
Результаты применения филогенетической классификации к некоторым традиционным таксонам бактерий (примеры). Затрудения в классификации протеобактерий. Перечень основных достижений в филогенетических исследованиях прокариот.
Общие положения систематики. Построение любой системы основано на сходстве между организмами. Но сходство может быть разное по своей сути. Например, родство – происхождение от общего предка. Гомология (истинная гомология) – наличие у двух организмов общего свойства, которое происходит от эквивалентного свойства, которое существовало у их ближайшего общего предка. Гомоплазия (ложная гомология) – возникновение общего свойства у неродственных организмов.
Молекулы в качестве филогенетических маркеров. Впервые использование первичной структуры клеточных макромолекул для целей классификации организмов предложили Цукеркандль и Полинг в 1965 г. (Zuckerkandl, Pauling). При этом биомолекулы-носители информации делятся на 1) семантиды (семантофорные молекулы). Первичные семантиды – ДНК, вторичные семантиды – РНК, третичные семантиды – белки. Это значит, что последовательности мономеров в макромолекулах рассматриваются как исторический документ эволюции. 2) эписемантиды – продукты катализа ферментами – хемотаксономические маркеры; редко рассматриваются как полезные для эволюционных построений, т.к. могут быть продуктами катализа неродственными ферментами.
Молекулярная филогения полагает, что эволюционная история организмов записана в структуре их семантид. Задача молекулярной филогении, кроме того, выделить группы ныне живущих организмов, имеющих общего предка, и определить время, прошедшее со времени дивергенции от ближайшего общего предка.
Причем для определения положения таксона в эволюции необходимо брать гомологичные семантиды. Филогенез определяется количеством и качеством различий в гомологичных семантидах. При этом любая последовательность состоит из доменов, консервативных в большей или меньшей степени, и данные домены значимы для реконструкции эволюции на разном таксономическом уровне, от вида до отдела. Вариабельные участки свидетельствуют о поздних эволюционных событиях (ближнем родстве), консервативные – о ранних (дальнем родстве).
Высоко консервативными белок-кодирующими участками генома, которые используются в филогении бактерий, являются:
1) Ген ДНК-гиразы.
2) Гены субъединиц РНК-полимеразы.
3) Гены факторов элонгации.
4) Гены субъединиц АТФазы.
Основной проблемой филогенетического анализа на основе белок-кодирующих последовательностей является отсутствие данных о соответствии «рибосомальной» эволюции и эволюции белок-кодирующих генов.
Основными семантидами, которые используются в филогенетической систематике бактерий, служат (1) 16S рДНК, (2) 23S (=25S) рДНК. В этих семантидах содержатся константные, менее консервативные и высоко вариабельные области (домены). Наличие многих копий рДНК в клетке позволяет использовать для амплификации ее фрагментов небольшое количество биологического материала. При анализе смешанной популяции бактерий полученную смесь фрагментов рДНК разделяют путем клонирования.
Выравнивание последовательностей НК. Элайнмент является основным методом оценки сходства гомологичных последовательностей для реконструкции эволюции. Для рДНК правильное выравнивание в настоящее время опирается на вторичную структуру производной от нее рРНК – способность образовывать стебельчатые петли, шпильки, вздутия, односторонние вздутия. Образование таких структур можно предсказать на основе согласованных нуклеотидных замен в гомологичных позициях. Молекулы 16S pРНК содержат примерно 50 элементов вторичной структуры.