Молекулярные часы и датирование дивергенции

Молекулярные часы — это наблюдение, что молекулярные различия между линиями накапливаются примерно со временем, что позволяет генетическим данным датировать эволюционные дивергенции при калибровке по ископаемым или геологическим событиям.

Definition

Молекулярные часы — это приблизительно постоянная скорость, с которой молекулярные изменения накапливаются вдоль линий с течением времени. Датирование дивергенции использует этот принцип в сочетании с калибровочными точками из палеонтологической летописи или геологии для оценки времени расхождения линий.

Scope

Эта тема охватывает гипотезу молекулярных часов и ее теоретическую связь с нейтральной теорией, ослабление строгих часов для учета вариаций скорости, методы калибровки часов с помощью ископаемых и биогеографии, а также совместную оценку времени дивергенции в байесовской структуре.

Core questions

• Почему молекулярные различия накапливаются с примерно часовой скоростью?
• Как нейтральная теория объясняет молекулярные часы?
• Как ослабляются часы, чтобы позволить скоростям варьироваться между линиями?
• Как ископаемые и другие данные используются для калибровки времени дивергенции?

Key theories

Молекулярные часы и нейтральная теория

Согласно нейтральной теории, скорость нейтрального замещения равна скорости нейтральной мутации и не зависит от размера популяции, предсказывая приблизительно постоянные молекулярные часы, которые связывают генетическое расстояние с прошедшим временем.

Датирование с ослабленными часами

Поскольку скорости замещения фактически варьируются между линиями, модели ослабленных часов позволяют скоростям изменяться вдоль дерева, а калибровка с помощью ископаемых обеспечивает статистически строгую оценку времени дивергенции и их неопределенности.

Mechanisms

Молекулярные часы возникают потому, что для нейтральных мутаций скорость замещения равна скорости мутации за поколение и теоретически не зависит от размера популяции, что приводит к примерно пропорциональной времени дивергенции. На практике скорости варьируются между линиями и генами, поэтому строгие часы часто отвергаются и заменяются моделями ослабленных часов, в которых скорости эволюционируют вдоль ветвей. Калибровка привязывает часы к абсолютному времени, используя возраст ископаемых, датированные геологические события викарианства или, для быстро эволюционирующих патогенов, даты отбора проб последовательностей. Байесовские методы интегрируют модель замещения, модель скорости и априорные калибровки для оценки времени дивергенции с доверительными интервалами.

Clinical relevance

Молекулярное датирование позволяет оценить время появления патогенов и смены хозяев, возраст возникновения лекарственной устойчивости и темп вирусной эволюции во время вспышек, поддерживая эпидемиологическую реконструкцию и прогнозирование.

History

Цукеркандль и Полинг предложили концепцию молекулярных часов в начале 1960-х годов на основе сравнений белковых последовательностей. Нейтральная теория Кимуры обеспечила ее теоретическую основу, а с 1990-х годов методы ослабленных часов и байесовские методы сделали калиброванное датирование дивергенции рутинной и статистически явной процедурой.

Debates

Насколько надежны оценки молекулярного датирования?

Вариации скорости, редкие или неверно приписанные калибровки по ископаемым, а также допущения модели могут смещать оценки времени дивергенции, поэтому точность глубоких молекулярных дат остается предметом споров.

Key figures

• Emile Zuckerkandl
• Linus Pauling
• Motoo Kimura
• Allan Wilson

Seminal works

• kimura1983
• felsensteinBook2004
• ohta1973

Frequently asked questions

Тикают ли молекулярные часы с постоянной скоростью?

Только приблизительно. Скорости варьируются между линиями, генами и со временем, поэтому современные анализы используют модели ослабленных часов, которые допускают вариации скорости, а не предполагают строго постоянные часы.

Как калибруются молекулярные часы?

Путем привязки точек дивергенции к абсолютному времени с использованием независимых данных, чаще всего датированных ископаемых, а также геологических событий известного возраста или, для быстро эволюционирующих патогенов, дат сбора образцов.