Đồng hồ phân tử và xác định niên đại phân kỳ

Đồng hồ phân tử là sự quan sát cho thấy sự khác biệt phân tử giữa các dòng dõi tích lũy gần đúng theo thời gian, cho phép dữ liệu di truyền xác định niên đại phân kỳ tiến hóa khi được hiệu chỉnh dựa trên hóa thạch hoặc các sự kiện địa chất.

Definition

Đồng hồ phân tử là tốc độ gần như không đổi mà các thay đổi phân tử tích lũy dọc theo các dòng dõi theo thời gian. Xác định niên đại phân kỳ sử dụng nguyên tắc này, kết hợp với các điểm hiệu chỉnh từ hồ sơ hóa thạch hoặc địa chất, để ước tính thời điểm các dòng dõi tách ra.

Scope

Chủ đề này bao gồm giả thuyết đồng hồ phân tử và mối liên hệ lý thuyết của nó với thuyết trung tính, sự nới lỏng của đồng hồ nghiêm ngặt để phù hợp với sự biến đổi tốc độ, các phương pháp hiệu chỉnh đồng hồ bằng hóa thạch và địa lý sinh vật, và ước tính đồng thời thời gian phân kỳ trong khuôn khổ Bayes.

Core questions

• Tại sao sự khác biệt phân tử tích lũy với tốc độ gần như đồng hồ?
• Thuyết trung tính giải thích đồng hồ phân tử như thế nào?
• Đồng hồ được nới lỏng như thế nào để cho phép tốc độ thay đổi giữa các dòng dõi?
• Hóa thạch và các bằng chứng khác được sử dụng như thế nào để hiệu chỉnh thời gian phân kỳ?

Key theories

Đồng hồ phân tử và thuyết trung tính

Theo thuyết trung tính, tốc độ thay thế trung tính bằng tốc độ đột biến trung tính và không phụ thuộc vào kích thước quần thể, dự đoán một đồng hồ phân tử gần như không đổi liên kết khoảng cách di truyền với thời gian đã trôi qua.

Xác định niên đại bằng đồng hồ nới lỏng

Vì tốc độ thay thế thực sự thay đổi giữa các dòng dõi, các mô hình đồng hồ nới lỏng cho phép tốc độ thay đổi dọc theo cây, và hiệu chỉnh bằng hóa thạch cho phép ước tính chặt chẽ về mặt thống kê thời gian phân kỳ và sự không chắc chắn của chúng.

Mechanisms

Đồng hồ phân tử phát sinh vì, đối với các đột biến trung tính, tốc độ thay thế bằng tốc độ đột biến trên mỗi thế hệ và về mặt lý thuyết không phụ thuộc vào kích thước quần thể, tạo ra sự phân kỳ tỷ lệ thuận với thời gian. Trong thực tế, tốc độ thay đổi giữa các dòng dõi và gen, vì vậy đồng hồ nghiêm ngặt thường bị từ chối và được thay thế bằng các mô hình đồng hồ nới lỏng trong đó tốc độ tiến hóa dọc theo các nhánh. Hiệu chỉnh neo đồng hồ vào thời gian tuyệt đối bằng cách sử dụng tuổi hóa thạch, các sự kiện địa lý sinh vật được xác định niên đại, hoặc, đối với các mầm bệnh tiến hóa nhanh, ngày lấy mẫu trình tự. Các phương pháp Bayes tích hợp mô hình thay thế, mô hình tốc độ và các ưu tiên hiệu chỉnh để ước tính thời gian phân kỳ với các khoảng tin cậy.

Clinical relevance

Xác định niên đại phân tử ước tính thời điểm xuất hiện của mầm bệnh và sự chuyển đổi vật chủ, tuổi của nguồn gốc kháng thuốc, và nhịp độ tiến hóa của virus trong các đợt bùng phát, hỗ trợ tái tạo và dự báo dịch tễ học.

History

Zuckerkandl và Pauling đã đề xuất đồng hồ phân tử vào đầu những năm 1960 từ các so sánh trình tự protein. Thuyết trung tính của Kimura đã cung cấp cơ sở lý thuyết của nó, và từ những năm 1990, các phương pháp đồng hồ nới lỏng và Bayes đã biến việc xác định niên đại phân kỳ được hiệu chỉnh thành một quy trình thường xuyên và rõ ràng về mặt thống kê.

Debates

Độ tin cậy của các ước tính niên đại phân tử như thế nào?

Sự biến đổi tốc độ, hiệu chỉnh hóa thạch thưa thớt hoặc gán sai, và các giả định mô hình có thể làm sai lệch các ước tính thời gian phân kỳ, vì vậy độ chính xác của các niên đại phân tử sâu vẫn còn gây tranh cãi.

Key figures

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

Seminal works

• kimura1983
• felsensteinBook2004
• ohta1973

Frequently asked questions

Đồng hồ phân tử có chạy với tốc độ không đổi không?

Chỉ gần đúng. Tốc độ thay đổi giữa các dòng dõi, gen và theo thời gian, đó là lý do tại sao các phân tích hiện đại sử dụng các mô hình đồng hồ nới lỏng cho phép biến đổi tốc độ thay vì giả định một đồng hồ hoàn toàn không đổi.

Đồng hồ phân tử được hiệu chỉnh như thế nào?

Bằng cách neo các điểm phân kỳ vào thời gian tuyệt đối bằng cách sử dụng bằng chứng độc lập, thường là hóa thạch được xác định niên đại, nhưng cũng có thể là các sự kiện địa chất có tuổi đã biết hoặc, đối với các mầm bệnh tiến hóa nhanh, ngày lấy mẫu.