Zakłada się, że czas rozejścia się dwóch sekwencji T jest równy czasowi rozejścia się dróg ewolucyjnych dwóch gatunków i zazwyczaj jest wnioskowany z danych paleontologicznych.

Porównanie TSN synonimicznych i niesynonimicznych dla różnych genów kodujących

białka. TSN zostały skalkulowane z porównania genów człowieka i gryzoni, których drogi ewolucyjne rozeszły się 80 x 106 lat temu.

Gen

L (liczba par

Niesynonimiczne

Synonimiczne tempo

kodonów)

tempo (x109)

(x109)

Histon 3

1.35

0.00+-0.00

6.38 +/- 1.19

Histon 4

101

0.00+-0.00

6.12 +/- 1.32

Somatostatyny

28

0.00+-0.00

3.97+/-2.66

Insulina

51

0.13+-0.13

4.02+/-2.29

Erytropoetyna

191

0.72+-0.11

4.34+/-0.65

Ig V14

100

1.07+-0.10

5.66+/-1.36

Ig 16

106

1.87+-0.26

5.90+/-1.27

Interferon γ

136

2.79+-0.31

8.59+/-2.56

Im krótszy, tym błąd pomiaru tempa substytucji jest większy. Tabela mówi nam o

konserwatywności. Immunoglobuliny powinny się zmieniać.

TSN niesynonimicznych jest bardzo różne w przypadku różnych genów od 0 dla histonów 3,4

do 2,79 dla interferonu γ .

TSN synonimicznych również waha się aczkolwiek w mniejszym w zakresie niż w przypadku TSN niesynonimicznych – ok. 5x wyższe.

Zauważalne są również różnice TSN w różnych rejonach DNA:

- zależy od tempa zachodzenia mutacji

- zależą od prawdopodobieństwa utrzymania mutacji w populacji

Różnice w TSN w obrębie genu:

stwierdza się, że tempo mutacji: synonimicznych i niesynonimicznych jest różne.

Powód: selekcja będzie najprawdopodobniej eliminowała większą częstością substytucje zmieniające skład aminokwasowi białka, niż substytucje synonimiczne. Efekt: Spadek tempa substytucji niesynonimicznych, substytucje synonimiczne będą w większości utrzymane w populacji.

Jeśli to substytucjeniesynonimiczne mają większą szansę ulepszyć funkcjonowanie białka – to tempo to tempo powinno przewyższać tempo substytucji synonimicznych. Wydaje się, że większość substytucji niesynonimicznych jest szkodliwa i jest eliminowana. Substytucje korzystne zdarzają się niezwykle rzadko. Są nieliczne wyjątki, gdzie TSN niesynonimicznych przewyższa TSN synonimicznych: np.: fragmenty genów immunoglobin kodujących obszary hiperzmienne.

Różnica w tempie substytucji synonimicznych i niesynonimicznych obrazuje dobrzez znana w biologii molekularnej zasadę:

im większe wymogi funkcjonalne są

Model Kiury wyjaśniający różnice w TSN synonimicznych i niesynonimicznych

pewna frakcja wszystkich mutacji jest neutralna lub prawie neutralna f0 reszta mutacji –

szkodliwa. mutacji korzystnych praktycznie nie ma.

VT – tempo wszystkich mutacji na pozycję nukleotydową/jednostkę czasu

tempo mutacji neutralnych k=VT*f0

ponieważ f0 jest zawsze wyższa dla mutacji synonimicznych to tempo tych mutacji też jest wyższe niż mutacji niesynonimicznych.

Zgodnie z tym modelem – najwyższe tempo substytucji powinno być w sekwencjach nie wykazujących żadnej funkcji, gdzie wszystkie mutacje są neutralne – f0=1

Pseudogeny – najwyższe TSN.

rejony 5’ i 3’ UTR nieco niższe

Również w obręcbie części genu kodującego białko (abstrahując od intronów) – rejony kodujące różne domeny funkcjonalne lub strukturalne mogą podlegać różnym ograniczeniom funkcjonalnym i ewoluować w różnym tempie.

Przykład – proinsulina.

Proinsulina składa się z łańcucha B, C, A. Skład dojrzały insuliny to B i A. C ulega wycięciu ale jest potrzebny po to żeby a i b połączyły się odpowiednimi mostakmi siarczkowymi. dla funkcjonowania insuliny krytyczne SA łańcuchy b i a. tempo mutacji niesynonimicznych rejonie C jest siedem razy wyższe niż w rejonie a i b.

Tempo podstawień niesynonimicznych w różnych genach:

To tempo bywa różne – czynnikiem ustalającym to tempo w różnych genach jest nacisk selekcyjny – określony wymogami funkcjonalnymi produktu genu.

Porównanie apolipoprotein i histonu 3.

Geny tych białek wykazują znaczne różnice w tempie substytucji niesynonimicznych.

Apolipoproteiny – białka krwi kręgowców transportujące różne lipidy. Domena wiążąca lipidy składa się głównie z aa hydrofobowych. Analiza porównawcza sekwencji

apolipoprotein różnych ssaków wykazuje , że podstawienie w tych domenach jedenego aa hydrofobowego drugim jest akceptowalne w wielu miejscach. To tłumaczy wysokie tempo podstawień niesynonimicznych.

Histon 3 – białko bardzo konserwatywne – oddziałujące z DNA i pozostałymi histonami w tworzeniu nukleosomu. Ewoluuje 1000x wolniej niż apolipoproteiny.

Tempo podstawień synonimicznych również jest różne w różnych genach. Powód- 1.) tempo mutacji może być różne w różnych rejonach genomu i może odzwierciedlach chromosomalną lokalizację genu. 2.) nie wszystkie synonimiczne kodony są używane z tą samą wydajnością w procesie dekodowania mRNA

„codon usage”

izoakceptorowe TRNA

Mutacje – z uwagi na ich wpływ na funkcjonowanie organizmu, możemy podzielić na trzy klasy:

neutralne – olbrzymia większość mutacji stabilizowanych w organizmie jest neutralna lub prawie neutralna

negatywne – eliminowane z uwagi na szkodliwe działanie

pozytywne – b. rzadko występujące – wg teorii neutralnej mutacji M. Kiury – nie mające wpływu na ewolucję.

Ale: znamy przykłady pozytywnej selekcji dot. genu kodującego lizozym.

Fermentacja przedżółądkowa pojawia się, w historii ewolucji ssaków łożyskowych dwukrotnie: u przeżuwaczy (np.: krowa), u długoogoniastej małpy indyjskiej (langur); W obu przypadkach dochodzi do wydzielania lizozymu w żołądku (u innych ssaków nie ma) i jest odpowiedzialny za degradowanie ścian bakterii przeprowadzających fermentację w przedżołądku.

Porównano sekwencje aa lizozymu krowy pawiana langura szczura człowieka i konia: tylko u krowy i langura w czterech pozycjach występują te same aminokwasy. Te wspólne 4 aa mogą być rezultatem serii równoległych substytucji – przykład konwergencji na poziomie białka.

Te substytucje – zwiększają aktywność lizozymu w niskim pH.

2 Przykład: szarłat i działanie herbicydu atrazyny.

to od Magnusa

Zegar molekularny

Zucherland i Pauling (1965 – porównali sekwencję AA hemoglobiny i cytochromu c z

różnych gatunków. Stwierdzili: tempo substytucji aminokasowych w tych białkach jest w przybliżeniu takie samo we wszystkich testowanych liniach rozwojowych  istnieje zegar molekularny.

Ewolucję białek – jeśli zachodzi w stałym tempie – można wykorzystać w ustaleniu daty rozejścia się dróg ewolucyjnych między pokrewnymi organizmami.

Krytyka: tempo ewolucji obserwowane na poziomie morfologicznym jest nierówne

człowiek małpy afrykańskie

15x106 lat temu 5x106 lat temu

Tempo ewolucji często przyspiesza po duplikacji genu sekwencje AA ewoluują znaczniej szybciej w czasie radiacji adaptytywnej.

Badania porównawcze nad DNA pozwolą wnikliwiej ocenić wartość zegara molekularnego.