Motoo Kimura

Japoński genetyk, biolog molekularny, autor neutralistycznej teorii ewolucji molekularnej.

Urodził się 13 listopada 1924 roku w Okazaki,

w Japonii. Zmarł 13 listopada 1994 roku.

Młody Kimura zafascynowany był pięknem roślin, które hodował jego ojciec i zdecydował się zostać botanikiem. W 1944 r. rozpoczął studia cytogenetyczne. Stopniowo tracił jednak swoje dotychczasowe zainteresowania i w końcu zaczął zajmować się matematyczną stroną genetyki populacyjnej. Doszedł wtedy do wniosku, że biologia powinna mieć lepsze podstawy matematyczne. Według niego dziedziną biologiczną, z najszerszym zastosowaniem matematyki, jest teoretyczna genetyka populacyjna. Jego dalsze badania dotyczyły właśnie tej dziedziny.

W 1949 roku zdobył zatrudnienie w Narodowym Instytucie Genetyki w Mishima.

W początkowym okresie pobytu w Mishima Kimura skoncentrował się na stochastycznej teorii genetyki populacyjnej. Zaangażował się w debatę między A. Fisherem i S. Wrightem dotyczącą znaczenia przypadkowego dryfu genetycznego w ewolucji. Fisher utrzymywał, że dryf genetyczny nie jest istotny w naturalnych populacjach, ponieważ wielkość populacji jest zwykle bardzo wysoka i ważniejszym czynnikiem są fluktuacje współczynnika selekcji naturalnej. Kimura nie zgodził się z hipotezą Fishera i podał własne wyjaśnienie relacji między skutkami działania dryfu genetycznego i doboru naturalnego. Napisał na ten temat artykuł, który został opublikowany w 1954 roku w czasopiśmie Genetics. Był to jego pierwszy artykuł opublikowany na Zachodzie.

W czasie pobytu w Wisconsin w Stanach Zjednoczonych Kimura napisał szereg publikacji. Szybko stał się światowym liderem w dziedzinie matematycznej genetyki populacyjnej. Był postrzegany jako następca Fishera, Wrighta i Halddanea.

W 1960 roku Kimura opublikował w języku japońskim podręcznik - "Szkice genetyki populacyjnej". Prawdopodobnie był to najbardziej zaawansowany podręcznik tego przedmiotu na świecie w owym czasie.

W 1968 roku Motoo Kimura obliczył tempo ewolucji sekwencji aminokwasów kilku białek. Doszedł do wniosku, że poszczególne białka ewoluują w podobnym tempie w różnych liniach ewolucyjnych. Dowodził, że takiej stałości tempa nie należałoby oczekiwać przy działaniu doboru, lecz oczekiwalibyśmy jej, gdyby większość zmian ewolucyjnych na poziomie molekularnym była wynikiem mutacji i dryfu genetycznego.

Cechą charakterystyczną koncepcji Kimury jest twierdzenie, że mutacje przystosowawczo obojętne, tzw. neutralne są podstawowym czynnikiem ewolucji. Los

takich mutacji określany jest przez dryf genetyczny, który polega na przypadkowej

zmianie częstości występowania w populacji danych alleli. Kimura traktuje polimorfizm białek i DNA jako przejściowe stadium ewolucji molekularnej i odrzuca

pogląd, że większość takich polimorfizmów jest przystosowująca i utrzymywana

w populacji przez naturalną selekcję.

Taki punkt widzenia był obcy ówczesnym ewolucjonistom i dlatego wielu podniosło głosy krytyki wobec koncepcji Kimury. Był to czas szybkiego rozwoju neodarwinizmu i ewolucjoniści nie mogli uwierzyć, że substytucje genów mogą zachodzić w dużych naturalnych populacjach bez udziału doboru naturalnego. Na szczęście teoria neutralistyczna okazała się testowalna i fakt ten generował wiele prac doświadczalnych i teoretycznych zarówno z obozu neutralistów, jak i selekcjonistów.

Zmiany ewolucyjne wg neutralistów są w większej mierze wynikiem działania dryfu genetycznego!!

TEORIA NATURALNA EWOLUCJI MOLEKULARNEJ stwierdza, że:

• niewiele mutacji w sekwencjach DNA i białek jest korzystnych i utrwalonych przez dobór naturalny, neutralne zmiany w genomie powodowane substytucjami nukleotydów nie podlegają darwinowskiej selekcji;

• wiele mutacji jest szkodliwych i zostaje usuniętych przez dobór naturalny, a więc mutacje te w minimalnym stopniu przyczyniają się do obserwowanej zmienności ;

• większość mutacji utrwalonych jest neutralnych pod względem wpływu na dostosowanie, a ich utrwalenie jest skutkiem dryfu genetycznego;

• większość zmienności na poziomie molekularnym- takiej, którą można wykazać za pomocą sekwencjonowania DNA czy elektroforezy enzymów- jest neutralna dla doboru i bez znaczenia dla adaptacji;

• zastępowanie jednych alleli innymi, na poziomie molekularnym, odbywa się mniej więcej w stałym tempie, a zatem stopień zróżnicowania sekwencji między gatunkami może służyć jako zegar molekularny, pozwalając określić czas dywergencji (różnic w rozwoju ewolucyjnym danej cechy powstałych między dwoma spokrewnionymi gatunkami żyjącymi w odmiennych warunkach środowiska) gatunków.

Teoria neutralna nie utrzymuje, że morfologiczne, fizjologiczne i behawioralne właściwości organizmów ewoluują pod działaniem dryfu genetycznego. Wiele, a pewnie większość takich właściwości ewoluuje pod działaniem doboru naturalnego, a ich ewolucja uwarunkowana jest takimi podstawieniami par zasad, które wg neutralistów stanowią bardzo niewielką część zmian w sekwencji DNA.

Wiele mutacji jest szkodliwych i zostaje usuniętych przez dobór naturalny, a więc mutacje te w minimalnym stopniu przyczyniają się do obserwowanej zmienności. Teoria neutralna nie wyklucza zatem działania doboru naturalnego na niektóre różnice par zasad czy aminokwasów. Utrzymuje jednak, że większość zmienności, jaką obserwujemy na poziomie molekularnym, zarówno u gatunków jak i między nimi, wywiera minimalny wpływ na dostosowanie albo dlatego, że różnice w sekwencji DNA nie przekładają się na różnice sekwencji aminokwasów w białkach, albo dlatego, że większość zmian sekwencji aminokwasów w białkach wywiera niewielki wpływ na fizjologię organizmów.

W 1983 r. Kimura streścił badania nad teorią neutralistyczną w książce The Neutral Theory of Molecular Evolution . Cambridge University Press, Cambridge.

Kimura otrzymał wiele nagród oraz honorowe stopnie na Uniwersytecie w Chicago i Wisconsin. Był on niewątpliwie wybitnym ewolucjonistą japońskim

Teoria mutacji neutralnych M. Kimury zakłada, że podstawowym

mechanizmem ewolucji molekularnej jest przypadkowy dryf genetyczny, który

w głównej mierze określa los selektywnie neutralnych mutacji. Innymi słowy,

intensywność selekcji włączonej w proces ewolucji jest tak słaba, że nie ma ona

znaczącego wpływu na zmiany ewolucyjne na poziomie cząsteczek. Poza tym mutacje

o charakterze neutralnym nie ujawniają się fenotypowo, a więc kontrola selekcyjna

tego rodzaju zmian jest niemożliwa, lub na tyle mało efektywna, że nie jest brana pod

uwagę.

„Mutacje neutralne mogą wprawdzie nie mieć aktualnego znaczenia

przystosowawczego, trudno jednak wątpić, że ich kumulatywne rezultaty są

całkowicie pozbawione znaczenia dla określenia możliwości przyszłościowych zmian

ewolucyjnych.”

Teoria neutralistyczna, podkreślając rolę odgrywaną przez mutacje

selektywnie neutralne, nie utrzymuje, że wszystkie mutacje mają charakter obojętny.

W porównaniu z ilością mutacji pojawiających się w puli genowej populacji, tylko

niewielki procent z nich zostaje utrwalony. Większość powstających mutantów ma

charakter negatywny i jest eliminowana z populacji przez dobór naturalny.

Prawidłowości ewolucyjnych zmian, które były obserwowane na poziomie

fenotypu nie mają ścisłego zastosowania na poziomie genotypu. Obraz ewolucji

wyłaniający się z badań molekularnych wydaje się też nie odpowiadać oczekiwaniom

neodarwinistów. Kimura zauważa kilka zasadniczych różnic. Pierwsza z nich

dotyczy zjawiska polegającego na tym, że w określonym rodzaju białka tempo,

w którym aminokwasy są zastępowane przez inne jest w przybliżeniu takie samo

w wielu liniach rozwojowych organizmów.97 Kolejna - dotyczy tego, że substytucje

wydają się być przypadkowe raczej, niż wykazywać jakąś powtarzalność. Ostatnia -

to obserwacja, że całkowite tempo zmian na poziomie DNA jest bardzo wysokie

w porównaniu z substytucją mutanta i wynosi przynajmniej jedną zasadę

nukleotydową na genom, na każde dwa lata w rozwoju ewolucyjnym ssaków.98 Jak

widać wzorzec ewolucji molekularnej jest całkiem odmienny od tego - dotyczącego

ewolucji fenotypowej.99 W świetle teorii neutralistycznej ewolucja na poziomie

cząsteczek ma w głównej mierze charakter przypadkowy.

Kimura podaje pięć istotnych cech ewolucji molekularnej.100

(1) Dla każdego białka tempo ewolucji, z punktu widzenia substytucji aminokwasów,

jest w przybliżeniu stałe na rok i na miejsce (site) dla różnych linii rozwojowych, pod

warunkiem, że funkcja i struktura trzeciorzędowa pozostają niezmienione. Jest to

zasada zegara molekularnego sformułowana po raz pierwszy przez E. Zuckerkandla

i L. Paulinga.101 Istnieją wyjątki od owej zasady stałości tempa ewolucji różnych

cząsteczek. Jukes i współpracownicy podają, że cytochrom c grzechotnika ewoluował

trzy lub cztery razy szybciej, niż ta sama cząsteczka u żółwia.102 Nie przekreśla to

jednak uzasadnienia teorii mutacji neutralnych. Fakt, że tempo ewolucji w terminach

substytucji mutanta dla danej cząsteczki jest stałe oraz jest niezależne od długości

trwania pokolenia danej populacji, jak również warunków i sposobu jej życia może

być najprościej wyjaśniony przez teorię neutralistyczną.

(2) Funkcjonalnie mniej ważne cząsteczki lub części cząsteczek ewoluują szybciej,

niż te ważniejsze. Prawdopodobieństwo mutacji nie będącej szkodliwą, a więc będącej

selekcyjnie neutralną jest większe w cząsteczkach pełniących mniej ważne funkcje

i dlatego zmiany te mają większą szansę utrwalenia w populacji przez przypadkowy

dryf genetyczny.103 Wynika to z silniejszego ograniczenia selekcyjnego w przypadku

bardziej istotnych cząsteczek, np. histon H4.

(3) Te substytucje, które są mniej zdyskredytowane104 do istniejącej struktury i funkcji

cząsteczki (substytucje konserwatywne) pojawiają się częściej w ewolucji, niż te

bardziej zdyskredytowane. Jedną z najbardziej interesujących sytuacji są

synonimiczne substytucje105, które pojawiają się przy trzeciej pozycji kodonu.

(4) Pojawienie się nowego genu, przejawiającego nowego funkcje, musi zawsze być

poprzedzone powieleniem genu. Duplikacja genu odgrywa ważną rolę w ewolucji.

Istnienie dwóch kopii tego samego genu umożliwia jednej z nich gromadzenie mutacji

i w ostateczności przekształcenie się w nowy zmieniony gen, podczas gdy druga kopia

zachowuje dotychczasowe funkcje, które są konieczne dla przetrwania gatunku

w danych warunkach. Gen gromadzący mutacje jest w takiej sytuacji osłonięty przed

działaniem doboru naturalnego przez normalny (niezmieniony) jego odpowiednik.106

---