분자 시계

시리즈의 일부
진화생물학
존 굴드의 다윈 핀치
색인 서론 주된 개요 용어집 증거 역사
프로세스와 결과 집단유전학 변화 다양성 돌연변이 자연선택 적응. 다형성 유전적 표류 유전자 흐름 사양 적응형 방사선 협력 공진화 공멸 발산 컨버전스 병렬 진화 멸종
자연사 생명의 기원 공통 혈통 인생의 역사 진화 연표 인류의 진화 계통발생학 생물다양성 생물 지리학 분류 진화분류학 클래디스트리스 과도기 화석 멸종 사건
진화론의 역사 개요 르네상스 다윈 이전 다윈 종의 기원 합성 전 현대 합성 분자 진화 에보데보 현재의 연구 분화 이력 고생물학의 역사 (시간표)
필드 및 응용 프로그램 진화의 응용 프로그램 생물사회범죄학 생태유전학 진화적 미학 진화인류학 진화 계산 진화생태학 진화 경제학 진화 인식론 진화 윤리 진화 게임 이론 진화언어학 진화의학 진화신경과학 진화생리학 진화심리학 실험 진화 계통학 고생물학 선택적 사육 분화 실험 사회생물학 계통학 보편적 다윈주의
사회적 영향 사실과 이론으로서의 진화 사회적 효과 창조-진화 논쟁 유신론적 진화 진화에 대한 반대 지원 수준
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분자시계는 생물분자의 돌연변이율을 이용하여 두 개 이상의 생물이 갈라졌을 때 선사시대의 시간을 추론하는 기술의 비유적인 용어이다.이러한 계산에 사용되는 생체 분자 데이터는 보통 DNA, RNA 또는 단백질의 아미노산 배열에 대한 뉴클레오티드 배열입니다.돌연변이율을 결정하기 위한 벤치마크는 화석 또는 고고학적 연대가 되는 경우가 많다.분자 시계는 1962년에 다양한 동물들의 헤모글로빈 단백질 변종에서 처음 테스트되었고, 분자의 진화에 있어서 분화 또는 방사선의 시간을 추정하기 위해 일반적으로 사용됩니다.그것은 때때로 유전자 시계 또는 진화 시계라고 불린다.

조기 발견 및 유전적 등거리성

소위 "분자 시계"의 존재에 대한 개념은 에밀 주커칸들과 라이너스 폴링이 1962년에 화석 ^[1]증거로부터 추정된 바와 같이 서로 다른 혈통들 사이의 헤모글로빈의 아미노산 차이가 시간에 따라 거의 선형적으로 변화한다는 것을 알아챘기 때문에 처음 시작되었다.그들은 특정한 단백질의 진화적 변화 속도가 시간에 따라 그리고 다른 계통에 걸쳐 거의 일정하다고 주장하기 위해 이 관찰을 일반화했다.

유전적 등거리 현상은 1963년 에마뉴엘 마골리아쉬에 의해 처음 발견되었는데, 그는 이렇게 썼다: "어떤 두 종의 시토크롬 c 사이의 잔류물 차이는 대부분 이 두 종의 진화의 선이 원래 갈라진 이후 경과된 시간에 의해 조절되는 것으로 보인다.만약 이것이 맞다면, 모든 포유류의 시토크롬 c는 모든 조류들의 시토크롬 c와 동등하게 다를 것입니다.물고기는 새나 포유동물보다 먼저 척추동물 진화의 주요 줄기에서 갈라지기 때문에 포유류와 조류의 시토크롬c는 물고기의 시토크롬c와 동등하게 달라야 한다.마찬가지로 모든 척추동물의 시토크롬c는 효모 ^[2]단백질과 동등하게 달라야 한다.예를 들어 잉어와 개구리, 거북이, 닭, 토끼, 말의 시토크롬 c의 차이는 13~14%로 매우 일정하다.마찬가지로 박테리아 시토크롬c와 효모, 밀, 나방, 참치, 비둘기, 말의 차이는 64%에서 69%에 이른다.에밀 주커칸들, 라이너스 폴링의 연구와 함께, 유전적 등거리 결과는 1960년대 ^[3]초 분자 시계 가설의 공식적인 가정으로 직접적으로 이어졌다.

비슷하게, 1967년 빈센트 사리치와 앨런 윌슨은 알부민 단백질의 현대 영장류 사이의 분자 차이가 그들이 ^[4]평가한 모든 계통에서 거의 일정한 변화율이 발생했음을 보여주었다.그들의 분석의 기본 논리는 만약 한 종의 혈통이 그들의 공통 조상 이후 자매 종의 혈통보다 더 빠르게 진화했다면, 아웃그룹(더 먼 친척) 종과 더 빠르게 진화하는 종 사이의 분자 차이는 더 커져야 한다는 것을 인식하는 것을 포함했다.다른 집단과 더 느린 종 사이의 분자 차이보다 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다.이 방법은 상대 환율 테스트라고 불립니다.예를 들어, 사리히와 윌슨의 논문은 인간과 침팬지 알부민 면역학적 교호작용이 그들이 세보아상과 종들과 거의 동등하게 다르다는 것을 시사한다고 보고했다.이것은 그들이 공통 조상을 공유한 이후 알부민에서 거의 동일한 변화를 축적했다는 것을 의미했다.이 패턴은 또한 그들이 테스트한 모든 영장류 비교에서도 발견되었다.K-T 경계 이전에 발견된 현대적 양상의 영장류 화석이 없는 등, 잘 문서화된 몇 개의 화석 분기로 보정했을 때, 사리치와 윌슨은 인간과 추력의 차이가 약 4백만 년에서 6백만 ^[5]년 전에 일어났을 것이라고 주장하게 되었다.

중립 이론과의 관계

시계와 같은 분자 변화율의 관찰은 원래 순전히 현상학적이었다.그 후, 기무라 모투의^[6] 연구는 분자 시계를 예측한 분자 진화의 중립 이론을 발전시켰다.N명의 개인이 존재하도록 하고, 이 계산을 단순하게 하기 위해, 개인을 반수체(즉, 각 유전자의 복사본 1개)로 합니다.새로운 개체에서 중성 돌연변이(즉, 적합성에 영향을 미치지 않는 돌연변이)의 비율을$$μ(\$displaystyle\mu$로 하자. 이 새로운 돌연변이가 집단에서 고정될 확률은 1/N이다. 유전자의 각 복사본은 다른 것과 다름없기 때문이다.모든 세대는 새로운 돌연변이를 가질 수 있기 때문에 전체 모집단에는$$μ(\$displaystyle\$$)$ N개의 $새로운$ 중성 $돌연변이$가 있습니다.즉, 각 $세대{\displaystyle }$,$$μ\style$\mu의 새로운$ 뉴트럴 돌연변이는 고정됩니다.만약 분자 진화 동안 보이는 대부분의 변화가 중립이라면, 모집단의 고정은 개인의 중성 돌연변이 비율과 같은 클럭 속도로 축적될 것입니다.

눈금 매기기

분자 시계만으로는 특정 기간이 다른 기간보다 두 배 더 길다고 말할 수 있습니다. 즉, 구체적인 날짜를 지정할 수 없습니다.바이러스 계통유전학 및 고대 DNA 연구의 경우(진화생물학의 두 가지 영역), 중간 샘플의 날짜를 사용하여 분자 시계를 보다 정확하게 보정할 수 있습니다.그러나 대부분의 계통학은 화석 ^[7]기록과 같은 날짜에 대한 독립적인 증거에 대해 분자 시계를 보정할 것을 요구한다.화석 데이터를 사용하여 분자 클럭을 보정하는 일반적인 방법은 노드 보정과 팁 ^[8]보정 두 가지가 있습니다.

노드 보정

노드 연대 측정이라고도 하는 노드 보정은 노드에 화석 제약을 가함으로써 이루어지는 계통 발생 보정의 방법입니다.노드 보정 화석은 최소 연령을 제한하기 위해 사용되는 이 분지군을 대표하는 가장 오래된 분지입니다.화석 기록의 단편적인 특성 때문에, 가장 최근에 발견된 분지군의 가장 최근의 공통 조상은 결코 발견되지 ^[8]않을 것이다.노드 보정 분석에서 이를 고려하기 위해서는 최대 Clade Age를 추정해야 합니다.가장 오래된 화석의 부재라는 부정적인 증거에 의존하기 때문에 최대 분지 나이를 결정하는 것은 어렵다.출생-사망 모델, 화석 지층 분포 분석 또는 태후노믹 ^[9]컨트롤을 사용하여 최대 분지 연령을 도출하는 많은 방법이 있다.또는 최대값 및 최소값 대신 발산시간의 사전확률을 설정하여 클럭을 교정할 수 있다., 로그 정규, 기하 급수적, 감마, 교복 등 정상을 포함하여 발산의 진정한 나이는 화석의 연대에 대한 차체의 확률을 표현하는데 사용될 수 있는 몇가지 사전 확률 분포);[10] 하지만 경험적으로 그 확률 분포의 모양과 매개 변수 평가에 대한 극히 적은 방법이 있다.[11]트리에 보정 노드를 배치하면 제약되지 않은 노드의 배치를 알 수 있으며, 계통 발생 전반에 걸친 분기 날짜 추정치를 제공합니다.과거 시계 보정 방법에서는 단일 화석 제약 조건(비모수 속도 평활)^[12]만 사용할 수 있는 반면, 현대 분석(BEAST 및 r8s^[13])에서는 분자 시계를 보정하기 위해 여러 화석을 사용할 수 있다.시뮬레이션 연구는 화석 제약의 수를 늘리면 발산 시간 ^[14]추정의 정확성을 증가시킨다는 것을 보여주었다.

팁 보정

팁 연대 측정법이라고도 하는 팁 보정은 화석이 분류군으로 처리되어 나무 끝에 배치되는 분자 시계 보정 방법입니다.이는 멸종된 분류군과 현존하는 ^[9]분류군 모두에 대한 형태학적 데이터 집합과 함께 현존하는 분류군에 대한 분자 데이터 집합을 포함하는 매트릭스를 생성함으로써 달성된다.노드 보정과 달리 이 방법은 트리 토폴로지를 재구성하고 화석을 동시에 배치합니다.분자 모형과 형태학 모형은 동시에 작동하여 형태학이 ^[8]화석의 위치를 알려줄 수 있게 한다.팁 보정은 각 분지의 가장 오래된 화석에만 의존하는 것이 아니라 시계 보정 중에 모든 관련 화석 분류법을 사용합니다.이 방법은 최대 분지 ^[9]연령을 추론하기 위해 부정적인 증거의 해석에 의존하지 않는다.

확장 교정

모집단의 인구통계학적 변화는 ^[15][16][17]결합 이론을 사용하여 모집단의 현존하는 유전자 변이의 표본에서 과거 결합 유효 모집단 크기의 변동으로 검출될 수 있다.지질학적 기록에 잘 기록되고 날짜가 기록된 고대 인구 팽창은 노드 보정과 유사한 방식으로 분자 진화 속도를 보정하는 데 사용될 수 있다.그러나 확장 보정은 노드의 알려진 연령에서 보정하는 대신 일정한 모집단 크기에 이어 모집단 증가를 수반하는 2에포치 모델을 사용하며, 에폭 간 전환 시간이 ^[18][19]보정의 관심 매개 변수가 됩니다.확장 보정은 노드 보정에 비해 짧은 특정 시간 척도로 작동합니다. 왜냐하면 확장은 해당 종의 가장 최근의 공통 조상 이후에만 탐지될 수 있기 때문입니다.팽창 연대는 아래 논의된^[20][21] 바와 같이 대립 유전자의 불완전한 고정으로 인해 분자 클럭 속도가 짧은 시간 척도^[18](< 1MY)에 팽창될 수 있음을 보여주기 위해 사용되었습니다.

총 증거 날짜

팁 보정에 대한 이 접근법은 화석의 위치, 위상 및 진화 시간 척도를 동시에 추정함으로써 한 단계 더 나아갑니다.이 방법에서는 화석의 나이가 형태학뿐만 아니라 계통학적 위치를 알려줄 수 있다.트리 재구성의 모든 측면이 동시에 발생하도록 허용함으로써 편향된 결과의 위험을 ^[8]줄일 수 있습니다.이 접근방식은 다른 모델과 조합하여 개선되었습니다.현재 분자 시계 보정의 한 가지 방법은 화석화된 출생-사망(FBD) 모델과 형태학적 ^[22]진화 모델과 짝을 이룬 총 증거 연대 측정법이다.FBD 모델은 살아있는 분류군 또는 혈통의 직계 조상인 화석 분류군인 "표본 조상"을 허용한다는 점에서 참신하다.이것은 화석이 ^[23]끝부분에만 국한되는 것이 아니라 현존하는 생물 위에 있는 나뭇가지에 놓일 수 있게 해준다.

방법들

베이지안 방법은 특히 계통 유전학에 의해 산출된 것과 같은 대규모 데이터 세트를 사용하는 경우,^[24] 발산 시간의 보다 적절한 추정치를 제공할 수 있다.

분자 시계의 일정하지 않은 비율

때때로 화석에서 하나의 발산 날짜만 추정할 수 있고, 다른 모든 날짜들은 그것으로부터 추론할 수 있다.다른 종의 집합은 이용 가능한 화석을 풍부하게 가지고 있어 일정한 발산률의 가설을 시험할 수 있다.낮은 수준의 음성 선택을 경험하는 DNA 염기서열은 박테리아, 포유류, 무척추동물,^[25] 식물에서 Myr당 0.7–0.8%의 발산률을 보였다.같은 연구에서 매우 높은 음성 또는 정제 선택(rRNA 인코딩)을 경험하는 게놈 영역은 상당히 느렸다(50Myr당 1%).

게놈 위치에 따른 이러한 비율의 변화 외에도, 1990년대 초부터 분류군 간의 변화는 비교적 짧은 진화 기간(예^[27]: 흉내지빠귀)에도 ^[26]연구할 수 있는 비옥한 토대가 되었다.관코 바닷새들은 아마도 긴 세대 기간 때문에 평균적으로 다른 많은 ^[28]새들의 절반 속도로 움직이는 분자 시계를 가지고 있고, 많은 거북이들은 작은 포유동물들의 1/8 속도로 혹은 ^[29]더 느린 속도를 가지고 있다.작은 모집단 크기의 영향 또한 분자 시계 분석을 혼란시킬 수 있다.Francisco J. Ayala와 같은 연구원들은 분자 시계 가설에 ^[30][31][32]더 근본적으로 이의를 제기했다.Ayala의 1999년 연구에 따르면 분자 시계 모델의 적용을 제한하기 위해 다섯 가지 요인이 결합됩니다.

• 생성 시간 변경(새로운 돌연변이의 비율이 적어도 부분적으로 연수가 아닌 세대 수에 의존하는 경우)
• 모집단 크기(유전자 표류는 작은 모집단에서 더 강하므로 더 많은 돌연변이가 효과적으로 중성화됨)
• 종 고유의 차이(대사, 생태, 진화력 등에 따라)
• 연구된 단백질의 기능 변화(비부호화 DNA 배열을 이용하거나 무성 돌연변이를 강조함으로써 밀접한 관련이 있는 종에서 피할 수 있음)
• 자연 도태의 강도 변화

분자 클럭 사용자는 최대우도 기법과 이후 베이지안 모델링을 포함한 많은 통계적 접근방식을 사용하여 회피책을 개발했다.특히, 분기 시간의 더 나은 추정치를 얻기 위해 라인 간 비율 변동을 고려하는 모델이 제안되었다.왜냐하면 그들은 'strict의 분자 시계 가설과 조셉 Felsenstein의 many-rates고 가능하고 동시에 선택한 substit의 얼마나 나무 기술을의 가중 범위 탐사 MCMC 기술을 통해 만들어진다 model[34]사이의 한 중간 위치를 나타내이 모델들 긴장을 푼 분자 clocks[33]라고 불린다.ution m분자 시계를 사용하여 추론된 발산일은 직접적인 증거가 아닌 통계적 추론에 기초한다는 것을 기억해야 한다.

분자 시계는 매우 짧고 매우 긴 시간표에서 특정한 도전에 직면합니다.장기간에 걸쳐 문제는 포화상태입니다.충분한 시간이 흐르면 많은 사이트가 두 번 이상 변경되었지만 두 번 이상 탐지하는 것은 불가능합니다.즉, 관측된 변화 수가 더 이상 시간에 따라 선형적이지 않고 평탄화됨을 의미합니다.중간 유전적 거리에서도 계통발생학적 데이터가 위상을 추정하기에 충분한 상태에서 복잡한 우도 모델에서는 나무의 전체 규모에 대한 신호가 약할 수 있으며, 이는 매우 불확실한 분자 클럭 ^[35]추정으로 이어질 수 있다.

매우 짧은 시간 척도에서 샘플 간의 많은 차이는 서로 다른 모집단에서 서로 다른 시퀀스의 고정을 나타내지 않습니다.대신, 그들은 공통 조상에서 다형성의 일부로 존재했던 대립 유전자들을 나타냅니다.아직 확정되지 않은 차이를 포함하면 분자 시계의 겉보기 속도가 매우 짧은 시간 ^[21][36]내에 극적으로 상승할 수 있습니다.

사용하다

분자 시계 기술은 분자 체계학에서 중요한 도구이며, 유기체의 정확한 과학적 분류를 결정하거나 선택 힘의 변화를 연구하기 위해 분자 유전 정보를 사용합니다.특정 계통 집합에서 분자 진화의 대략적인 일정한 비율에 대한 지식은 또한 살아있는 분류군 간의 차이와 같이 화석에 의해 기록되지 않은 사건들을 포함한 계통 발생적 사건의 날짜의 추정을 용이하게 한다.이러한 경우, 특히 장기간에 걸쳐 분자 시계 가설(위)의 한계를 고려해야 한다. 이러한 추정치는 50% 이상 차이가 날 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

• 찰스 다윈
• 진의 명령
• 인간 미토콘드리아 분자 시계
• 미토콘드리아 이브와 Y염색체 아담
• DNA 진화 모델
• 분자 진화
• 중성 분자 진화 이론

레퍼런스

추가 정보

• Ho, S.Y.W., ed. (2020). The Molecular Evolutionary Clock: Theory and Practice. Springer, Cham. doi:10.1007/978-3-030-60181-2. ISBN 978-3-030-60180-5. S2CID 231672167.
• Kumar S (August 2005). "Molecular clocks: four decades of evolution". Nature Reviews. Genetics. 6 (8): 654–662. doi:10.1038/nrg1659. PMID 16136655. S2CID 14261833.
• Morgan GJ (1998). "Emile Zuckerkandl, Linus Pauling, and the molecular evolutionary clock, 1959-1965". Journal of the History of Biology. 31 (2): 155–178. doi:10.1023/A:1004394418084. PMID 11620303. S2CID 5660841.
• Zuckerkandl E, Pauling LB (1965). "Evolutionary divergence and convergence in proteins". In Bryson V, Vogel HJ (eds.). Evolving Genes and Proteins. Academic Press, New York. pp. 97–166.

외부 링크

• 앨런 윌슨과 분자시계
• 분자 등거리 현상에 대한 분자 시계 설명
• 생명의 분자수를 위한 데이타클레이드 서비스