نظرية شبه محايدة للتطور الجزيئي

تُعدّ نظرية التطور الجزيئي شبه المحايدة تعديلًا لنظرية التطور الجزيئي المحايدة ^{[ 1 ]} ، وهي تُراعي حقيقة أن بعض الطفرات ليست ضارة لدرجة يمكن تجاهلها، أو محايدة. لا تُستبعد الطفرات الضارة بشكل موثوق إلا عندما يكون معامل الانتقاء الخاص بها أكبر من واحد مقسومًا على حجم التجمع الفعال . في التجمعات الأكبر حجمًا، تتجاوز نسبة أعلى من الطفرات هذا الحد الذي لا يستطيع الانحراف الوراثي عنده التغلب على الانتقاء، مما يؤدي إلى عدد أقل من أحداث التثبيت ، وبالتالي تطور جزيئي أبطأ.

تم اقتراح نظرية الحياد شبه التام من قبل توموكو أوتا في عام 1973. ^{[ 2 ]} وقد أطلق مايكل لينش على العتبة المعتمدة على حجم السكان لتطهير الطفرات اسم "حاجز الانحراف" ، واستخدمت لشرح الاختلافات في البنية الجينومية بين الأنواع.

وفقًا للنظرية المحايدة للتطور الجزيئي، ينبغي أن يكون معدل تراكم التغيرات الجزيئية بين الأنواع مساويًا لمعدل الطفرات المحايدة، وبالتالي ثابتًا نسبيًا بين الأنواع. مع ذلك، هذا معدل لكل جيل. وبما أن الكائنات الأكبر حجمًا لها أجيال أطول ، تتوقع النظرية المحايدة أن يكون معدل تطورها الجزيئي أبطأ. لكن علماء التطور الجزيئي وجدوا أن معدلات تطور البروتينات مستقلة إلى حد كبير عن مدة الجيل.

لاحظت توموكو أوتا أن حجم الجماعة يتناسب عكسيًا مع زمن الجيل، واقترحت أنه إذا كانت معظم استبدالات الأحماض الأمينية ضارة بشكل طفيف، فإن ذلك سيزيد من معدل الطفرات المحايدة فعليًا في الجماعات الصغيرة، مما قد يعوض تأثير أزمنة الجيل الطويلة. ومع ذلك، ولأن استبدالات الحمض النووي غير المشفر تميل إلى أن تكون أكثر حيادية، بغض النظر عن حجم الجماعة، فمن المتوقع بشكل صحيح أن يعتمد معدل تطورها على حجم الجماعة/زمن الجيل، على عكس معدل التغيرات غير المترادفة. ^{[ 3 ]}

في هذه الحالة، يتم تعويض معدل التطور المحايد الأسرع في البروتينات المتوقع في التجمعات السكانية الصغيرة (بسبب عتبة أكثر تساهلاً للتخلص من الطفرات الضارة) بأوقات جيل أطول (والعكس صحيح)، ولكن في التجمعات السكانية الكبيرة ذات أوقات الجيل القصيرة، يتطور الحمض النووي غير المشفر بشكل أسرع بينما يتباطأ تطور البروتين بسبب الانتقاء (وهو أكثر أهمية من الانحراف بالنسبة للتجمعات السكانية الكبيرة) ^{[ 3 ]} في عام 1973، نشر أوتا رسالة قصيرة في مجلة Nature ^{[ 2 ]} تشير إلى أن مجموعة واسعة من الأدلة الجزيئية تدعم النظرية القائلة بأن معظم أحداث الطفرات على المستوى الجزيئي ضارة قليلاً وليست محايدة تمامًا.

بين ذلك الحين وأوائل التسعينيات، استخدمت العديد من دراسات التطور الجزيئي "نموذج التحول" الذي يعود فيه التأثير السلبي للطفرات الضارة على لياقة الجماعة إلى قيمته الأصلية عند تثبيت الطفرة. في أوائل التسعينيات، طور أوتا "نموذجًا ثابتًا" يشمل الطفرات المفيدة والضارة على حد سواء، بحيث لا يكون هناك حاجة إلى "تحول" اصطناعي للياقة العامة للجماعة. ^{[ 3 ]} مع ذلك، ووفقًا لأوتا، فقدت نظرية الحياد شبه التام شعبيتها إلى حد كبير في أواخر الثمانينيات، نظرًا لنظرية الحياد الأبسط رياضيًا في أبحاث التصنيف الجزيئي واسعة الانتشار التي ازدهرت بعد ظهور تقنيات التسلسل السريع للحمض النووي . ومع بدء دراسات تصنيف أكثر تفصيلًا في التسعينيات بمقارنة تطور مناطق الجينوم الخاضعة لانتقاء قوي مقابل انتقاء أضعف، عادت نظرية الحياد شبه التام والتفاعل بين الانتقاء والانحراف لتصبح محورًا مهمًا للبحث. ^{[ 4 ]}

معدل الإحلال، ${\displaystyle \rho }$يكون

${\displaystyle \rho =ugN_{e}{\bar {P}}_{fix}}$،

أين${\displaystyle u}$معدل الطفرة،${\displaystyle g}$هو زمن التوليد، و${\displaystyle N_{e}}$يمثل حجم السكان الفعال. أما الحد الأخير فيمثل احتمال أن تصبح طفرة جديدة ثابتة . وقد افترضت النماذج المبكرة أن${\displaystyle u}$ثابت بين الأنواع، وأن${\displaystyle g}$يزداد مع${\displaystyle N_{e}}$معادلة كيمورا لاحتمالية التثبيت في مجموعة سكانية أحادية الصيغة الصبغية تعطي ما يلي:

${\displaystyle P_{fix}={\frac {1-e^{-s}}{1-e^{-sN_{e}}}}}$،

أين${\displaystyle s}$هو معامل الانتقاء للطفرة. عندما${\displaystyle |s|\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$(محايد تمامًا)،${\displaystyle P_{fix}={\frac {1}{N_{e}}}}$ومتى${\displaystyle -s\gg {\frac {1}{N_{e}}}}$(ضار للغاية)،${\displaystyle P_{fix}}$يتناقص بشكل شبه أُسّي مع${\displaystyle N_{e}}$طفرات مع${\displaystyle -s\simeq {\frac {1}{N_{e}}}}$تُسمى هذه الطفرات بالطفرات شبه المحايدة. يمكن لهذه الطفرات أن تثبت في نطاقات صغيرة.${\displaystyle N_{e}}$تنتقل العدوى بين المجموعات السكانية عبر الانحراف الوراثي . في المجموعات الكبيرة-${\displaystyle N_{e}}$في المجتمعات، يتم التخلص من هذه الطفرات عن طريق الانتقاء. إذا كانت الطفرات شبه المحايدة شائعة، فإن النسبة التي${\displaystyle P_{fix}\ll {\frac {1}{N_{e}}}}$يعتمد على${\displaystyle N_{e}}$

يمكن أن يعتمد تأثير الطفرات شبه المحايدة على التقلبات في${\displaystyle s}$استخدمت الأعمال المبكرة "نموذج التحول" الذي${\displaystyle s}$قد يختلف متوسط ​​لياقة السكان بين الأجيال، لكنه يُعاد ضبطه إلى الصفر بعد التثبيت. ويفترض هذا أساسًا توزيع${\displaystyle s}$ثابت (بهذا المعنى، يمكن اعتبار الحجة الواردة في الفقرات السابقة مبنية على "نموذج التحول"). قد يؤدي هذا الافتراض إلى تحسين أو تدهور غير محدد لوظيفة البروتين. في المقابل، يُثبّت "النموذج الثابت" اللاحق ^{[ 5 ]} توزيع تأثير الطفرات على وظيفة البروتين، ولكنه يسمح بتطور متوسط ​​لياقة المجموعة. وهذا يسمح بتوزيع${\displaystyle s}$ليتغير مع متوسط ​​لياقة السكان.

يقدم "النموذج الثابت" تفسيراً مختلفاً قليلاً لمعدل تطور البروتين. على نطاق واسع${\displaystyle N_{e}}$في المجتمعات، تُختار الطفرات المفيدة بسرعة عن طريق الانتخاب الطبيعي، مما يزيد من متوسط ​​لياقة المجتمع. في المقابل، ينخفض ​​معدل الطفرات شبه المحايدة لأن هذه الطفرات تقتصر على ذيل توزيع معاملات الانتخاب.

يُوسّع "النموذج الثابت" نظرية شبه الحياد. وقد صنّف تاشيدا ^{[ 6 ]} التطور ضمن "النموذج الثابت" استنادًا إلى حاصل ضرب${\displaystyle N_{e}}$والتباين في توزيع${\displaystyle s}$يشير الناتج الكبير إلى التطور التكيفي، والناتج المتوسط ​​إلى التطور شبه المحايد، والناتج الصغير إلى التطور شبه المحايد. ووفقًا لهذا التصنيف، يمكن للطفرات المفيدة بشكل طفيف أن تساهم في التطور شبه المحايد.

اقترح مايكل لينش أن التباين في القدرة على التخلص من الطفرات الضارة بشكل طفيف (أي التباين في${\displaystyle N_{e}}$يمكن أن يفسر ذلك التباين في البنية الجينومية بين الأنواع، مثل حجم الجينوم أو معدل الطفرات. ^{[ 7 ]} تحديدًا، تتميز التجمعات السكانية الأكبر حجمًا بمعدلات طفرات أقل، وبنى جينومية أكثر انسيابية، وتكيفات أكثر دقة بشكل عام. مع ذلك، إذا قللت مقاومة عواقب كل خطأ محتمل في عمليات مثل النسخ والترجمة بشكل كبير من تكلفة ارتكاب هذه الأخطاء، فقد تُطور التجمعات السكانية الأكبر حجمًا معدلات أقل من التدقيق اللغوي الشامل ، وبالتالي معدلات خطأ أعلى. ^{[ 8 ]} قد يفسر هذا سبب ارتفاع معدلات أخطاء النسخ في بكتيريا الإشريكية القولونية مقارنةً بخميرة الخباز . ^{[ 9 ] [ 10 ]} يدعم هذا حقيقة أن معدلات أخطاء النسخ في الإشريكية القولونية تعتمد على وفرة البروتين (المسؤولة عن تعديل قوة الانتقاء الخاصة بالموقع)، ولكنها تعتمد فقط على أخطاء نزع الأمين من السيتوزين إلى اليوراسيل ذات معدل الخطأ العالي في خميرة الخباز . ^{[ 11 ]}

• تاريخ التطور الجزيئي

• نظرية شبه الحياد في التطور الجزيئي - وجهات نظر حول التطور الجزيئي