Molekularna sistematika

Molekularna filogenija je grana filogenije koja analizira nasljedne molekularne razlike, uglavnom u DNK, za dobijanje informacija o evolucijskim putevima, vezama i odnosima organizama. Rezultati molekularne filogenetičke analiza se izražavaju u konstrukciji filogenetskog stabla. Molekularna filogenija je jedan aspekt molekularne sistematike, širi pojam koji uključuje i upotrebu molekularnih podataka u taksonomiji i biogeografiji.

Historija

Filogenetsko drvo života, Haeckel

Teorijski okviri za molekularnu sistematiku su postavljeni tokom 1960-ih, u radovima Emila Zuckerlandla, Emanuela Margoliasha, Linusa Paulinga i Waltera M. Fitcha. Pioniri primjene molekularne sistematike su bili Charles Sibley (ptice ), Herbert C. Dessauer (herpetologija) i Morris Goodman (primati), zatim Allan Wilson, Robert K. Selander i John C. Avise (koji je studirao različite grupe). Rad sa elektroforezom proteina je počeo oko 1956. Iako rezultati nisu bili brojni i u početku nisu poboljšali morfološke klasifikacije, dali su primamljive naznake da je za dugo održavano poimanje klasifikacije ptica, naprimjer, potrebna značajna revizija. U periodu od 1974.-1986, bila je preovladavajuća tehnika zvana DNK-DNK hibridizacija.

Tehnike i primjene

Svaki živi organizam sadrži DNK, RNK i proteine. U principu, organizmi u uskoj vezi imaju visok stepen saglasnosti u molekulskoj strukturi ovih materija, dok molekule srodnih organizama obično ispoljavaju određene obrasce različitosti. Očekivanje da će konzervirane sekvence, kao što je mitohondrijskska DNK, akumulirati mutacije tokom vremena, a pod pretpostavkom stalne stope mutacija, daje molekularni sat za određivanje starosti divergencije. Molekularna filogenija koristi takve podatke da se izgradi "stablo odnosa" koji pokazuje vjerovatnu evoluciju različitih organizama. Sa pronalaskom Sangerovog sekvenciranja DNK 1977. godine postalo je moguće izolirati i identificirati ove molekulske strukture.

Najčešći pristup je poređenje homolognih sekvenci gena pomoću tehnike usklađivanja sekvenci za identifikaciju sličnosti. Još jedna primjena molekularne filogenije je u DNK barkodiranju, pri čemu se vrsta pojedinih organizama identificira pomoću male sekcije mitohondrijske ili hloroplastne DNK. Primjena ovih tehnika može se vidjeti u vrlo ograničenoj oblasti genetike čovjeka, kao što je sve popularnije genetičko testiranje kako bi se utvrdilo nečije roditeljstvo, kao i novi ogranak krivične forenzike koja je usredsređena na dokaze koji su poznati kao genetički otisak prstiju.

Sveobuhvatni korak-po-korak protokol u izgradnji filogenetskog stabla, uključujući i poravnanja DNK / aminokiselinskih multiplih sekvenci, višestruko poravnavanje sekvenci, test-modela (testirane najbolje prilagođeni modeli supstitucije) i rekonstrukcija filogenije koristeći maksimalnu vjerovatnoću i test Bastovskog zaključivanja dostupan je u Protokolu prirode (Nature Protocol)

Teorijska osnova

Rani pokušaji molekularne sistematike se nazivaju hemotaksonomija, a koristili su proteine, enzime, ugljikohidrate i druge molekule koje su izdvojene i karakterizirane koristeći tehnike kao što je hromatografija. Ovi su u posljednje vrijeme u velikoj mjeri zamijenjeni DNK analizom, koja se bavi tačnom iderntifikacijom sekvenci nukleotida ili baza u sekvencama DNK ili RNK ekstrahiranih pomoću različitih tehnika. U principu, oni se smatraju superiornim, za evolucijske studije, jer se djelovanje evolucije u konačnici odražava na genetičke sekvence. Danas je još uvijek dug i skup proces sekvencioniranja cjelokupne DNK organizma (genoma). Međutim, sasvim je moguće da se utvrdi redoslijed definisanog prostora određenog hromosoma. Tipske molekularno-sistematske analize zahtijevaju poznavanje redoslijeda od oko 1.000 parova baza. Na bilo kojem lokusu, određena sekvenca baza koje se nalaze u datom položaju može se razlikovati između organizama. Posebna sekvenca pronađena u datom organizmu se naziva njegov haplotip. U principu, jer postoje četiri vrste baze, od 1.000 parova, može se dobiti 4¹⁰⁰⁰ različitih haplotipova. Međutim, za organizme unutar pojedine vrste ili u grupi povezanih vrsta, empirijski je utvrđeno da samo manjina lokusa ne pokazuje nikakve varijacije uopće i većina varijacija je u korelaciji, tako da je broj nađenih različitih haplotipova relativno mali.

Na filogenetskom drvetu života postoje brojne grupe (kladusi). Oni mogu biti definisani kao grupa organizama koja imaju zajedničkog pretka tokom cijele evolucije. Ovaj crtež prikazuje kako kladusi na filogenetskom drvetu mogu biti izraženi.

U molekularno-sistematskoj analizi, haplotipovi se utvrđuju na određenom području genetičkog materijala. Zato se koriste značajni uzorci jedinki ciljne vrste ili drugih taksona, ali mnoge sadašnje studije se zasnivaju na jednoj individui. Tako su nađeni i haplotipovi blisko povezanih jedinki različitih taksona. Konačno, određeni su haplotipovi manjeg broja jedinki iz definitivno različitih taksona: ovi su navedeni kao vanjske grupe. Tada su poređene sekvence baza u haplotipu. U najjednostavnijem slučaju, razlika između dva haplotipa se procjenjuje brojanjem lokusa na kojima imaju različite baze: ovo se naziva broj zamjena (do druge vrste razlika između haplotipova može doći, naprimjer prilikom insercije (umetanja) jednog dijela nukleinskih kiselina u jedan haplotip koji nije prisutan u drugom). Razlika između organizama obično se ponovno izražavaju kao postotak odstupanja, tako što je broj zamena po broju analiziranih parova baza. Očekuje se da će ova mjera biti nezavisna od lokacije i dužine dijela DNK koji je sekvenciran.

Stariji i zamijenjeni pristup je bio da se utvrdi razlika između genotipova jedinki prema DNK-DNK hibridizaciji. Tvrdilo se da je vrijednost korištenja hibridizacije, a ne sekvenciranje gena zasnovano na cijelom genotipu, a ne na pojedinim dijelovima DNK. Moderne tehnike poređenja sekvenci, prevazilaze ovaj prigovor upotrebom više sekvenci.

Kada se utvrde razlike između svih parova uzoraka, rezultirajuća trokuglasta matrica razlikâ se odnosi na neki oblik statističke analize klastera, a kao rezultat se dobije dendrogram koji se ispituje kako bi se vidjelo da li su uzorci klastera raspoređeni na očekivani način, prema polaznoj ideji o taksonomiji grupe ili ne. Za svaku grupu haplotipova koji su sve sličniji jedni drugima nego bilo koji od njih, je kada se poredi sa bilo kojim drugim haplotipom se može reći da predstavlja kladus. Raznim statističkim tehnikama može se procijeniti pouzdanost pozicije haplotipa u evolucijskom stablu.

Ograničenja molekularne sistematike

Molekularna sistematika u osnovi ima kladistički pristup: ona pretpostavlja da klasifikacija mora odgovarati filogenetskom porijeklu, i to da svi važeći taksoni moraju biti monofiletski.

Nedavno otkriće opsežnih horizontalnih prijenosa gena među organizmima, zadaje značajne komplikacije molekularnoj sistematici, ukazujući na to da različiti geni unutar istog organizma mogu imati različitu filogeniju.

Osim toga, molekularna filogenija je osjetljiva na pretpostavke i modele na kojima počiva. Oni se suočavaju sa problemima kao što su atrakcija dugih grana, zasićenost i problem uzimanja uzoraka taksona. To znači da se primjenom različitih modela mogu dobiti upadljivo različiti rezultati za isti skup podataka.

Vanjski linkovi

• NCBI – Systematics and Molecular Phylogenetics
• The promise of a DNA taxonomy (Mark L. Blaxter)
• Molecular phylogenetics from Encyclopedia Britannica.