에서는 1960 년대 초,생물학자들이 조사하기 시작했다는 방법은 단백질로서 다른 종은 진화에서 시퀀스 수준(Zuckerkandl1962,Margoliash1963 년 리틀&Blombäck1964). 단백질 분석이 포함되어 있는 헤모글로빈(Zuckerkandl&폴링 1962),시토크롬 C(Margoliash1963),그리고 fibrinopeptides(두리틀&Blombäck1964). 이러한 초기 조사를 주도하는 놀라운 발견:이 나타나는 숫자 사이의 차이 단백질 시퀀스의 다른 종들에 비례하는 시간부터 종을 발산합니다(그림 1).
Zuckerkandl&폴링(1965)에 비유는 일정한 축적이 아미노산의 치환은 시간에 정기적인’틱’의 시계,그리고 밝혔는’거기에 존재할 수 있는 분자 진화계’. 따라서,용어’분자 시계’처음 만들어낸 설명의 변화에서 아미노산에서 발생하는 비례하는 시간부터 종을 발산.
처음 사용 된 이래로’분자 시계’라는 용어는 많은 다른 맥락에서 사용되었습니다. 요즘,그것은 자주 사용하는 단순히 참조 번호의 변경,또는 대체가’,축적된 시퀀스에서의 DNA 또는 단백질이에서 지정된 혈통. 정의 된 시간 단위 당 치환 수는 분자 시계의’속도’로 설명 될 수 있으며,이 문맥에서’진화 속도’와 동일합니다. 어떤 경우에는 초기 함의가 여전히 유지된다는 점에 유의하십시오. 예를 들어,사람들의 상태를’우리는 우리는 분자계'(특히 계통 분석),는 것을 의미의 숫자를 대체했다고 가정하가 지속적으로 발생니다.
일정한 분자 시계의 개념은 진화 생물 학자들에게 특별한 의미를 갖는다. 는 경우에 일정한 분자 시계로는 처음 제안된 정말 존재,유추를 타이밍의 진화 이벤트가 될 것이라고는 간단하게 문제는(그림 1). 그러나 다른 계통에서 시간이 지남에 따라 대체가 지속적으로 발생하지 않는다는 것이 풍부하게 분명 해졌다(Kumar2005). 그럼에도 불구하고 분자 시계의 개념은 분자 진화 분야에서 매우 영향력이 있습니다. 분자 시계의 개념에서 영감을 얻은 가장 중요한 아이디어 중 하나는 분자 진화의 중립 이론입니다.
분자 클럭과 중립성
때의 아이디어에 일정한 분자 시계 첫 번째 등장,그것은 생각하는 주된 진화하는 힘을 기본 아미노산 또는 염기는 대체 자연 선택입니다. 다음과 같은 이 라인의 생각,일정한 분자 시계를 나타내는 것입 적응 대체에서 서로 다른 종가 지속적으로 발생니다. 그러나 이러한 시계와 같은 방식으로 적응 형 대체가 어떻게 발생하는지 설명하기는 어렵습니다. 이론적으로,운명에의 적응 돌연변이에 의해 결정되는 몇 가지의 진화와 같은 매개 변수의 강도는 선택적 이용을 돌연변이의 크기는 효과적인 인구,그리고 적응이 돌연변이율(Kimura1983). 이 매개 변수를 가능성이 있는 사이에 차이가 종,그리고 내에서도 종에 따라 특정 돌연변이와 자신의 상호작용으로 환경이다.
대신,Kimura(1968,1969)는 분자 수준에서의 대부분의 변화가 기능적 결과가 거의 없거나’중립적’이라고 제안했다. 돌연변이에 체력 결과가 없다면,인구에서의 운명은 무작위적인 기회에 의해 완전히 결정됩니다. 이것은 특정 중립 돌연변이가 결국 인구에서 고정 될지 예측할 수 없다는 것을 의미합니다. 그러나,평가에서는 중립이 대체에서 발생합 인구 예측할 수 있기 때문에 그것을 따라 하나의 매개 변수 즉,돌연변이 평가(Kimura1968).
n 개의 haploid 개체수를 가진 인구를 상상해 봅시다. 경우 중립 돌연변이 발생률 u 당 개인별로 세대 총 수의 돌연변이 하나 생성됩 N 번 u. 이후 이러한 모든 새로운 돌연변이 중립적이,그들의 운명은 완전히 결정된다. 다시 말해,모든 돌연변이는 고정에 도달 할 확률이 동일합니다(이는’대체’로 이어짐). 치환이 발생했다는 것을 감안할 때 각각의 새로운 중성 돌연변이가 고정에 도달 할 확률은 단순히 1/N 입니다. 은 평가의 대체로 계산된,새롭게 돌연변이에서 각 세대(Nu)곱하여 확률은 각각의 새로운 돌연변이에 도달하면 기정(1N),이는 동일 합니다. 다시 말해,중성 돌연변이,속도체와 같은 평가의 돌연변이!
경우에 따라서 대부분의 돌연변이 있 중립(제안으로서 중립적 이론)경우 돌연변이 요금은 일정한 시간에,대체해야가 지속적으로 발생 시간뿐만 아니라. 그런 다음 분자 수준에서 시계와 같은 규칙적인 대체 속도를 관찰해야합니다. Kimura(1969)따라서 고려의 관찰을 상대적으로 일정한 분자 시계에서 단백질 시퀀스로 강력한 지원을 위한 중립의 이론은 분자니다.
테스트 방법은 중립적 분자행
에 따르면 중립적 이론,문제의 여부를 대체율이 시간이 지남에 따라 지속적 또는지에 해당하는지 여부를 중립적이 돌연변이 요금은 일정한다. 이러한 이유로,많은 이후에 초점을 맞춘 연구 데이터 분석에서는 중립이트는지 여부를 확인 중립 돌연변이 요금은 실제로는 일정한다. 우리는 분자 시계에 대한 이론적 논쟁을 논의하기 전에 이러한 연구가 어떻게 구현되는지 간략하게 검토 할 것입니다. 분석이 단백질의 분자 시계도 계속했지만,토론 주변의 변화에서 단백질 분자 시계는 매우 다른 사람들에 관하여 중립적 분자의 시계는,포함되지 않습니다. 관심있는 독자는 gillespie(1991),Kumar(2005),Kim and Yi(2008)및 Bedford et al. (2008).
대부분의 경험적 분석의 분자의 시계에 의존하고 정리하는 중립 돌연변이율을 유추할 수 있어를 중립에서 대체 요금(Kimura1968,1969). 실제로,각 연구를 정의는 특정 유형의 사이트에 게놈으로 중성이트 및 비교하여 교체 비율의 사이트 간의 계통이다.
어떤 사이트에 게놈은 진정으로 중립적이 완전히 결정할 수 없지만 과학자들과 함께 온 여러 가지 유용한 프록시입니다. 게놈 시퀀싱 시대 이전에,이용 가능한 대부분의 서열 데이터는 단백질 코딩 DNA 서열에서 나온 것이었다. 연구는 종종 단백질 코딩 DNA 서열을 두 가지 유형의 부위(Wu&Li1985)로 나눕니다. 사이트의 첫 번째 유형은 어떤 변화가 아미노산 치환으로 이어질 것,또는’nonsynonymous 사이트’를 포함한다. 두 번째 유형의 사이트’동의어 사이트’,는 사람들을 포함한 인코딩’타락의 위치에서 codon 테이블이 변경으로 이어지지 않는 아미노산을 사용하고자하는 사람들을 위해. 예를 들어,TCT 와 TCC 는 모두 세린을 인코딩합니다. 이 코돈의 세 번째 위치가 바뀌면 여전히 동일한 아미노산을 생산할 것입니다. 그러한 대체는 자연 선택에 덜 가시적 일 것이다. 결과적으로,동의어 사이트의 분자 시계는 비 시조 시계보다 중립 분자 시계에 더 가까워 야합니다.
으로 시퀀싱 기술 고급,일부 연구에 사용되는 introns 대한 프록시 중립적이므로,그들은 포함하지 않으로 성숙한 mRNAs,따라서 더 많은 가능성이 있는 중립(이순신 et al. 2002). 의 시퀀스를 비활성 전이 될 요소를 삽입된 오래 전에 종을 발산했다 또한 종종용(이러한 자동으로’조상의 반복’,예를 들어,토마스 et al., 2003). 마지막으로,몇몇 연구에 사용되는 비 코딩 DNA(모든 시퀀스를 제거한 후 단백질 코딩 DNA)에서 추출되는 게놈 전체형을 테스트하는 중립분자계(Elango et al. 2006,허틀리 외. 2007).
가장 일반적으로 사용되는 테스트입니다 그래서 소위’상대적으로 평가시험'(Sarich&윌슨 1973). 처음에는,대체 비율 단위 시간당 추정에 의해 나누어 총 수의 차이(대체)사이의 단백질을 다른 종에 의하여 분기 시간 예상 화석 기록에서는(그림 1). 그러나 화석 기록은 많은 비교에 사용할 수 없으며 큰 오류 마진과 관련이 있습니다. 상대 속도 테스트는 화석 기록의 필요성을 극복합니다(그림 2). 만큼 outgroup 순서 두 가지의 계통의 관심이 있는지 여부를 결정 두 가지에 따라 동일한 또는 다른 분자계 없이 지식의 절대적인 시간의 차이(그림 2).
어떤 결정 요인의 중성자 분자의 시계는?
거의 모든 논쟁의 중심에는 토론 중립적 분자 시계 줄기 질문에서 무슨의 주요 소스는 돌연변이있다. 이 질문은 진화 적 변화와 유전병의 궁극적 인 원천 인 돌연변이의 패턴을 이해하는 것과 직접적으로 관련이 있습니다. 또한,방법을 이해 돌연변이가 요금 변경 사이의 계보에 게놈은 기본적인 질문에서 비교 유전체학을 목표로 사용하는 순서 비교를 식별하는 게놈 지역적으로 중요합니다.
그렇다면 중립적 인 돌연변이 율을 결정하는 것은 무엇입니까? 중성 분자 시계에 가장 중요한 공헌자 중 하나는 생성 시간의 혈통 특이 적 변화입니다. 일찍부터,일정한 중립 분자 시계에 대한 아이디어는 생식선 돌연변이의 분자 메커니즘에 대한 확률로 인식되었다. 대부분의 돌연변이는 germlines(Haldane1947,Muller1954)에서 DNA 복제의 오류로 인해 발생한다고 오랫동안 고려되어 왔습니다. Germline DNA 가 차세대를 위해 복제 될 때 돌연변이가 발생하기 때문에 절대 시간이 아닌 세대 수에 비례하여 축적되어야합니다. 따라서,우리가 비교 숫자의 대체에서 축적된 두 가지의 계통 이후 그들의 차이가 있는 혈통으로 더 이상 생성 시간을 겪었 적은 DNA 복제의 이벤트는 것,적은 항구 대체에 비해 혈통으로 짧은 세대 시간입니다. 결과적으로 분자 시계는 더 긴 생성 시간을 가진 종에서 더 천천히 실행되어야합니다. 이 아이디어를’세대-시간 효과’라고합니다.
사실,세대간 효과는 첫 번째 관찰에서의 연구장기 전에도 토론에 대한 분자 시계입니다. 모리스 Goodman,누가 사용하는 면역학 방법을 조사하는 종 relatedness,시간 관찰하는 속도는 일부 단백질 분기타 감소에서 원숭이,특히 인간을 비교하는 세계 원숭이(Goodman1961,1962,1963). 이 효과를’호미노이드 속도 둔화’라고합니다. 호미 노이드는 구세계 원숭이보다 생성 시간이 길기 때문에이 관찰은 생성 시간 효과로 설명 될 수 있습니다.
Wu&Li(1985)는 DNA 서열 데이터를 사용하여 생성 시간 효과 가설을 테스트 한 최초의 연구였다. 그들은 영장류와 설치류의 11 가지 유전자의 데이터를 사용했습니다. 영장류는 설치류보다 훨씬 더 긴 생성 시간을 갖기 때문에 분자 시계는 영장류에 비해 설치류에서 더 빨라야합니다. 실제로,그들이 발견한 동의어 사이트,설치류를 보여 약 두 배의 비율로 분자 진화할 때에 비해 영장류(우&리 1985). 그러나 nonsynonymous 사이트의 경우 그러한 효과는 발견되지 않았습니다. 다시 말해서,중간 분자 시계이지만,아미노산 분자 시계,틱 더 빠르게 설치류 혈통에 비해 영장류 혈통에 잘 맞는 아이디어로 세대의 적용됩니다.
후속 연구는 호미노이드 속도 둔화에 대한 추가 지원을 제공했다(Li&Tanimura1987,Bailey et al. 1991)및 설치류와 영장류 계통의 비율 차이(Gu&Li1992,Huttley et al. 2007). 더욱이,특히 영장류에서 더 작은 계통 발생 척도에서 속도 차이가 관찰되었다: 예를 들어,인간 분자 시계는 침팬지 분자 시계보다 느리게 실행됩니다(Elango et al. 2006);신세계 원숭이의 요금은 호미 노이드와 올드 월드 원숭이의 요금보다 빠릅니다(Steiper&Young2006). 이들 연구에서 관찰 된 분자 시계의 상이한 비율은 생성 시간 효과와 질적으로 일치한다.
그러나 계통 간의 실제 차이는 생성 시간의 차이와 정량적으로 일치하지 않습니다. 예를 들어,쿠마&&서브 라마 니안(2002)사용된 특정한 통계를 제거하는 필터 데이터를 보여주는’이종’대체 패턴을 가질 수 있는 발생한 편견으로 천천히 진화하는 시퀀스(이순신 et al. 2002). 그럼에도 불구하고,차이에서 분자의 시계장과 설치류가 나타납보다 훨씬 적은 원래에 의해 제안된 우&리(1985). 예를 들어,Huttley et al. (2007)분석 게놈 전체의 정렬 여러 종을 포함하여 주머니쥐 보여주었다는 평가 사이에 차이 eutherian 계보와 주머니쥐 혈통(~30%)보다 훨씬 더 많은 평가 사이에 차이는 인간과 마우스 계보(~14%). 이러한 예를 보여주는 정도의 차이점을 분자 수준에서 시계를 크게 다릅니다 다른 연구의 차이로 인해 데이터를 설정하고 통계적 방법입니다. 그들은 또한 계통 간의 속도 차이가 세대 시간의 차이만으로는 완전히 설명 될 수 없음을 보여줍니다. 분명히 중립 분자 시계에 대한 다른 공헌자가 있습니다.
실제로,생성 시간 이외의 생명-역사 특성은 분자 시계와 공동으로 변화하는 것으로 보인다. Martin&Palumbi(1993)는 DNA 분자 시계가 작은 몸체 크기를 가진 종에서 더 빨리 실행된다는 것을 보여 주었다. 이 관찰은 대사율이 분자 시계의 중요한 결정 요인이라는 가설을 이끌어 냈습니다. 높은 대사율은 많은 수의 돌연변이 유발 산소 라디칼을 생성하여 돌연변이 속도를 증가시킵니다(1994 년 랜드). 기 때문에 대사 요금 및 신체 크기는 일반적으로 공동으로 변화 차세대 시대에,그것은 어렵에 구별하는 이러한 구성의 주요 결정 요인은 분자 시계 요금입니다. Tsantes&Steiper(2009)는 제안에 따라,데이터에서 영장류,그 나이에 복제보다 오히려,본체 크기,주요 결정 요인 분자의 메 시지를 보낼 수 있습니다. 이 나이에서 처음 재생산을 반영한 세대 시간에 효과,이 연구는 아이디어를 지원하는 세대 시간에 효력이 주요 결정 요인의 분자니다. 그러나이 연구는 여전히 제한된 수의 계통(4 쌍의 종이 사용됨)을 기반으로합니다. 따라서,구별하는 간체 크기는,세대간 효과 및 대사 요금은 여전히 남아있으로 중요한 문제가 일반화 및 이해에 중립적 분자 시계입니다.
또한,DNA 메틸화와 같은 생성 시간에 공동 변화하지 않는 요인의 중요성이 점점 더 높이 평가되고있다. DNA 메틸화는 다양한 분류군에서 발견되는 게놈 DNA 의 화학적 변형입니다. 동물 게놈에서 DNA 메틸화는 구아닌(소위’CpG’s)이 뒤 따르는 시토신에서 거의 독점적으로 발생합니다. 메틸화 된 시토신은 차례로 화학적 불안정성으로 인해 티민으로 빠르게 변이하는 경향이있다(Bird1980). 실제로는 인간 게놈의 돌연변이 발생하여 DNA 의 메틸화가 발생할보다 더 크기의 순서 더 자주 이외의 다른 돌연변이(Nachman&크로 웰 2000,Elango et al. 2008). 기 때문에 돌연변이 발생하여 DNA 의 메틸화가 발생할은 크게 독립적으로의 DNA replication,이러한 돌연변이도에 따라 다양한 분자 시계입니다. 특히,대신 세대간 의존성,돌연변이 발생하여 DNA 의 메틸화를 따라 수 있습 시간에 따른 분자 시계는 무엇이었을 처음 제시하여 Zuckerkandl&폴링(Kim et al. 2006)!
이 가설을 시험하기 위해,Kim et al. (2006)에 비해 인간 침팬지의 발산을 원숭이-원숭이 차이,두 종 쌍을 공유하는 비슷한 분기 시간이지만 서로 다른 세대 시간(Steiper et al. 2004). 인간-침팬지 쌍(호미 노이드 쌍)은 짧은 꼬리 원숭이-개코 원숭이 쌍(구세계 원숭이 쌍)에 비해 훨씬 더 긴 생성 시간을 갖는다. 이와 같은 연구 결과는 비 CpG 사이트는,오래된 세계 원숭이 쌍의 축적된 약 30%더 많이 대체하는 설명할 수 있는 상기 hominoid 율 둔화에 효과가 있다. 대조적으로,CpG 부위의 분자 시계는 호미 노이드와 올드 월드 원숭이 쌍에서 비슷한 수의 치환을 보였다(그림 3). 따라서,시간 의존성 및 생성 시간 의존성 분자 시계는 동일한 게놈 내에 공존한다. 가정하는 분자 단계에 존재할 수 있는 주어진 계보가 더 이상 유효하지 않기 때문에 주된 mutational 군에 따라 달라질 genomic 지역입니다.
결론
의 개념은 일정한 분자 시계가 처음에는 제안에 따라 제한된 양의 단백질 시퀀스는 데이터입니다. 도 이후의 연구 결과 같은 관찰되지 않은 일반적인 패턴에서 아미노산,그가 상당한 영향 분야에 분자진화에서의 개발에 특히 중립의 이론은 분자진화를 위한 DNA 시퀀스는 데이터입니다. 중립적 인 이론에 이어,연구는 중립적 인 돌연변이 속도의 변화 패턴을 밝혀내는 데 초점을 맞추었다. 지난 수십 년 동안 우리는 분자 시계가 계통간에 다른 속도로 실행된다는 것을 관찰했습니다. 또한,변화의 정도는 다른 유형의 데이터 및 사용 된 특정 통계 방법에 따라 달라질 수 있습니다. 생성 시간 효과는 질적 인 수준에서 계속 유지되지만 계통 간 중성 돌연변이 속도의 정량적 변이를 설명하기에는 불충분하다. 생명 역사의 특성과 비 복제 따라 돌연변이와 같은 사람들에 의해 발생 DNA 의 메틸화,또한 중요한 참가자 게놈 분자 시계입니다. 사실,다른 유형의 분자 시계는 관찰에도 내에서,게놈기 때문에 주된 mutational 입력에 따라 차이가 게놈 지역입니다. 따라서,오히려 보다는 가정 하나의 중립분자계 각 게놈,미래를 연구하는 것을 목표로 공개 변화의 genomic 중립분자계에 대해 배우고,게놈 mutational 풍경입니다. 이러한 정보만을 이해하는 데 유용 원료에 관한 분자 진화과 유전적 질환이지만,또한을 구성하는 중요한 영향을 미치는 요소 비교 및 기능 유전자 분석을 식별하는 기능 genomic 지역입니다.