Молекулярная эволюция

1. Молекулярная эволюция

Михаил Гельфанд
Курилка Гуттенберга, Минск, 13 V 2017

2.

3.

4.

5. «Верите ли Вы в Дарвинову теорию эволюции?»

• «вера» – не иррациональная, а согласие с
доводами

6. «Верите ли Вы в Дарвинову теорию эволюции?»

• «вера» – не иррациональная, а согласие с
доводами
• «теория эволюции» эволюционная биология
(ср. «теория относительности»)

7. «Верите ли Вы в Дарвинову теорию эволюции?»

• «вера» – не иррациональная, а согласие с
доводами
• «теория эволюции» эволюционная биология
(ср. «теория относительности»)
• «дарвинизм»: Дарвин – великий ученый и
понял очень много, но сейчас мы знаем
существенно больше
– кстати, дарвинизм – не единственная и не первая
эволюционная теория. Основной вклад Дарвина –
естественный отбор как движущий фактор эволюции

8. Чарльз Дарвин и Грегор Мендель

1809-1882. В 1831-1836 –
кругосветное путешествие на
«Бигле». В 1858 доложил на
заседании Линнеевского общества
в Лондоне (одновременно с
Альфредом Уоллесом), а в 1859
опубликовал «Происхождение
видов»
1822-1884. В 1856-1863 посадил 28
тысяч растений гороха. Три закона
генетики (“Эксперименты по
гибридизации растений”) доложены
Обществу естественной истории в
Богемии в 1865 и опубликованы в
трудах Общества в 1866

9. ХХ век

Переоткрытие генетики
ДНК – носитель генетической информации
Синтетическая теория эволюции
Структура ДНК, генетический код
Молекулярная биология
Молекулярная филогенетика
Определение последовательностей ДНК
Evo-Devo
Геномы

10. Что увидели в геноме

• ~1 отличие на 1000 нуклеотидов между людьми
• ~1 отличие на 100 нуклеотидов между человеком и
шимпанзе
• ~50% белков человека и шимпанзе идентичны
• ~80% общих генов (белков) у человека и мыши
• ~30% общих генов (белков) человека и бактерии.
Что такое «общий белок»?
• совпадение последовательности лучше, чем
случайное
• одинаковая пространственная структура
• одинаковая (похожая) функция
• происхождение от общего предкового гена
• Доказательства эволюции

11.

Приспособленность –
не доказательство эволюции
Оптимальная форма тела акулы, ихтиозавра и кита-касатки
Гексагональные соты пчел и ос
А.С.Кондрашов

12.

Эволюция проявляется в
неоптимальности, отражающей
предысторию
Бесполезные остаточные глаза слепой
пещерной рыбы Astyanax mexicanus
А.С.Кондрашов

13.

Потеря способности
синтезировать витамин С
Выравнивание L-гулоно-гамма-лактон оксидазы
коровы и остатков этого гена в геноме человека.
Только приматы (и морские свинки) страдают от цинги
GAGAAGAAGCAGGTGACCATGGAGGCTGGCATCCTCCTGGCCAACCTGCACCCACAGCTGGATGAGCATGGCCTGGCCCTGTCCA
|||||||||||||||||| ||||||| ||||||||||| || |||||||||| |||||||| |||| |||||||| ||||||
GAGAAGAAGCAGGTGACCGTGGAGGCCGGCATCCTCCTAGCTGACCTGCACCCCCAGCTGGACAAGCACGGCCTGGCTTTGTCCA
GAAGAAATCTGAGGACTTCTGCTTCCTCTGGTTCCCACACAGCGAGAATGTCAGTGCCATCCACCAGGACCACACCAGCAAGGC
||||||||| || ||||| |||| ||||||||||||||||||||||||||||||| ||| ||||||||||||||| |||| |
GAAGAAATCCGAATACTTCCGCTTTCTCTGGTTCCCACACAGCGAGAATGTCAGTGTAATCTACCAGGACCACACCAACAAGCC
TGCAGTGCCTTGTGGGCTGGATCAATGGCTTTTTGTTTCTGACTCCTGTT---TGCCTGCCAGGAGAACAGCAACCTCAGCCCCAAGATCTTCACCCACG
|||
|||||||||||||||||||| ||||||| ||||| ||||||||
||
|||| ||| |||||||||||| ||||||||||||| |||
TGCCAGGCCTTGTGGGCTGGATCAATCGCTTTTT-CTTCTGGCTCCTGTTCAATGGGAAGAAGGAAAACTGCAACCTCAGCCACAAGATCTTCACCTACG
TGTGCCACTTCAAGCAGCATGTCCAGCACTGGGCCATCCC
||||| ||||||||||||||||||| |||||||||||||
AGTGCCGCTTCAAGCAGCATGTCCAGGACTGGGCCATCCC
CAGAAAGAAGACCACGGAGGCCCTGCTGGAGCTGAAGGCCGTGCTGGAGGCCCACCCTGAGGTGGTGTCCCACTACCTGGTGGGGGTACGCTTCACCTG|||| ||||||||| |||||||||||||||||||||||| |||||||||| |||| |||| ||| ||||||||| |||| |||||||||||| |
CAGAGAGAAGACCAAAGAGGCCCTGCTGGAGCTGAAGGCCATGCTGGAGGCGAACCCCAAGGTAGTGGCCCACTACCCCGTGGAGGTACGCTTCACTCGC
GAGGATGACATCCTACTGAGCCCCTGCTTCCAGTGGGACAGCCGCTACCTGAACATCAACCTGTACAGG
| ||| |||||||| |||||||||||||||||| | |||||| ||||| ||||||||| | ||||||||
GGGGACGACATCCTGCTGAGCCCCTGCTTCCAGCGCGACAGCTGCTACATGAACATCATCATGTACAGG
А.С.Кондрашов

14.

Неоптимальный дизайн
Amphistium
Pleuronectes platessa
M Friedman Nature 454, 209-212 (2008)

15.

Протяженный повтор в гене фактора VIII.
Инверсия по этому повтору – причина ~половины
случаев наследственной гемофилии А
Blood 99, 168-174, 2002.
А.С.Кондрашов

16. Сходство структуры при различной функции

крыло летучей
мыши = кисть

17.

Сходство
белков,
имеющих
совсем
разные
функции
Дельтакристаллин
курицы:
прозрачный
структурный белок,
потерявший
ферментативную
активность,
и
аргининосукцинат
лиаза: исходный
фермент
MATEGDKLLGGRFVGSTDPIMEILSSSISTEQRLTEVDIQASMAYAKALEKASILTKTEL
MA+EGDKL GGRF GSTDPIME+L+SSI+ +QRL+EVDIQ SMAYAKALEKA ILTKTEL
MASEGDKLWGGRFSGSTDPIMEMLNSSIACDQRLSEVDIQGSMAYAKALEKAGILTKTEL
EKILSGLEKISEESSKGVLVMTQSDEDIQTAIERRLKELIGDIAGKLQTGRSRNEQVLTD
EKILSGLEKISEE SKGV V+ QSDEDI TA ERRLKELIGDIAGKL TGRSRN+QV+TD
EKILSGLEKISEEWSKGVFVVKQSDEDIHTANERRLKELIGDIAGKLHTGRSRNDQVVTD
LKLLLKSSTSVISTHLLQLIKTLVERAAIEIDIIMPGYTHLQKALPIRWSQFLLSHAVAL
LKLLLKSS SVISTHLLQLIKTLVERAA EID+IMPGYTHLQKALPIRWSQFLLSHAVAL
LKLLLKSSISVISTHLLQLIKTLVERAATEIDVIMPGYTHLQKALPIRWSQFLLSHAVAL
TRDSERLGEVKKRITVLPLGSGALAGNPLEIDRELLRSELDMTSITLNSIDAISERDFVV
RDSERLGEVKKR++VLPLGSGALAGNPLEIDRELLRSELD SI+LNS+DAISERDFVV
IRDSERLGEVKKRMSVLPLGSGALAGNPLEIDRELLRSELDFASISLNSMDAISERDFVV
ELISVATLLMIHLSKLAEDLIIFSTTEFGFVTLFDAYSTGSSLLPQKKNPDSLELIRSKA
EL+SVATLLMIHLSKLAEDLIIFSTTEFGFVTL DAYSTGSSLLPQKKNPDSLELIRSKA
ELLSVATLLMIHLSKLAEDLIIFSTTEFGFVTLSDAYSTGSSLLPQKKNPDSLELIRSKA
GRVFGRLAAILMVLKGIPSTFSKDLQEDKEAVLDVVDTLTAVLQAATEVISTLQVNKENM
GRVFGRLAA+LMVLKG+PST++KDLQEDKEAV DVVDTLTAVLQ AT VISTLQVNKENM
GRVFGRLAAVLMVLKGLPSTYNKDLQEDKEAVFDVVDTLTAVLQVATGVISTLQVNKENM
EKALTPELLSTDLALYLVRKGMPIRQAQTASGKAVHLAETKGITINNLTLEDLKSISPLF
EKALTPELLSTDLALYLVRKGMP RQA ASGKAVHLAETKGI IN LTLEDLKSISPLF
EKALTPELLSTDLALYLVRKGMPFRQAHVASGKAVHLAETKGIAINKLTLEDLKSISPLF
ASDVSQVFSVVNSVEQYTAVGGTAKAA
ASDVSQVF++VNSVEQYTAVGGTAK++
ASDVSQVFNIVNSVEQYTAVGGTAKSS
А.С.Кондрашов

18.

Невынужденное сходство
H.s. cagctcaccatggatgatgatatcaccgcgctcgtcattgacaacggctc
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||
P.t. cagctcaccatggatgatgatatcaccgcgctcgtcatcgacaacggctc
H.s. cggcatgtgcaaggccagcttcacgggcgacaatgccgcccgggcagtct
|||||||||||||||| |||||||||||||| ||||| ||||||||||||
P.t. cggcatgtgcaaggccggcttcacgggcgacgatgccacccgggcagtct
H.s. tcccctccatcgttgggcaccccaggcaccagggcgtgatggtgggcatg
|||||||||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
P.t. tcccctccattgttgggcaccccaggcaccagggcgtgatggtgggcatg
H.s. ggtcagaaggattcctatgtgggcgacgaggcccagagcaagagaggcat
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
P.t. ggtcagaaggattcctatgtgggcgacgaggcccagagcaagagaggcat
Неработающие актиновые псевдогены
человека и шимпанзе. Идентичность 98.8%,
совпадающее геномное окружение.
А.С.Кондрашов

19. Деревья Дарвина

Не просто удобный способ представления
классификации, но отражение эволюции

20. «Человек произошел от обезьяны» – что это значит?

21. Предсказательная сила: промежуточные формы

1850

22. Предсказательная сила: промежуточные формы

1850
1900

23. Предсказательная сила: промежуточные формы

1850
1950
1900

24. Предсказательная сила: промежуточные формы

1850
1950
1900
2000
Антропогенез.ру

25.

antropogenez.ru

26.

«Если кто хочет
считать, что он
произошел от
обезьяны, –
пусть так
считает, но не
навязывает это
другим».
Алексий II,
15-е Рождественские
образовательные
чтения, 29.01.2007
antropogenez.ru

27.

28.

Феодосий Григорьевич Добржанский
(1900-1975)
«Ничто в биологии не
имеет смысла, кроме
как в свете эволюции»
The American Biology Teacher 1973
Jordan Hall of Science
University of Notre Dame

29.

30.

Ильсур Раисович Метшин,
мэр Казани
«К моему удивлению я узнал, что до сих
пор в школах детям преподают теорию
Дарвина. Я лично читал в научной
литературе, что выдающимися учеными
давно доказано, что одинаковых клеток
у обезьяны и человека нет. Почему мы
продолжаем обманывать детей? Я бы
не хотел, чтобы мои дети думали о том,
что все мы произошли от обезьяны, а не
от воли Всевышнего...»
(Городская конференция работников образования,
21 августа 2014)

31.

Николай Валуев,
боксер, ныне 1-й
зам. председателя
комитета по
экологии Госдумы
(Единая Россия)
«Я бы спросил у
Чарльза Дарвина,
с какого перепоя у
него родилась
идея о его теории
эволюции»

32.

Владимир Евгеньевич Фортов,
(экс)-(вице)-президент РАН
«Факты, которые накопили в
последнее время разные научные
дисциплины, ставят под сомнение,
казалось бы, незыблемые теории
прошлого, такие как дарвинизм,
теория самозарождения жизни на
Земле, общепринятое исчисление
геологических эпох … последние
данные палеонтологии и
антропологии обнаруживают
поразительно много общего с
основными положениями Библии»
(Всемирный русский народный собор, 1998)

33.

http://evolbiol.ru/evidence.htm

34. http://antropogenez.ru

Научный
редактор –
Станислав
Дробышевский
Редактор
портала –
Александр
Соколов

35. http://elementy.ru

36.

Докинз: Эгоистичный ген, Слепой часовщик, Самое грандиозное шоу на Земле

37. Полезные сайты: генераторы эволюции

• Фразы (обезьяны и пишущие машинки)
www.ramcdougal.com/weasel.html
• Машинки для езды на разных планетах
rednuht.org/genetic_cars_2/
• Двигающиеся люди
rednuht.org/genetic_walkers/
• «Слепой часовщик»
www.emergentmind.com/biomorphs
• PHYLO: выравнивания
phylo.cs.mcgill.ca

38.

Что такое «остановка эволюции»?
Мечехвосты
– известны с Ордовика
(485-443 млн лет назад)

39.

Latimeria chalumnae
с 1930
Coelacanthus granulatus
(Пермь, 299-252) –
145 млн лет назад

40.

Молекулярная эволюция
не останавливается
Белоккодирующие
гены –
медленнее,
другие участки
генома - нет

41. Аллопатрическое видообразование. Креветки и Панамский перешеек

Панамский перешеек: 3 млн. лет.
Парные виды в Атлантическом и
Тихом океанах
Knowlton & Weigt, 1998

42. Симпатрическое видообразование. Цихлиды в африканских озерах

Озеро Малави. ~1 млн. лет.
~1000 видов. Прозрачная вода
=> сине-фиолетовые цвета.
Озеро Виктория. ~12 тыс.лет.
>500 видов. Мутноватая вода
=> красно-желтые цвета.
Антропогенез.ру

43. Конвергентная эволюция. Цихлиды в африканских озерах

Антропогенез.ру

44. Видообразование in statu nascendi. Яблонная пестрокрылка и ее наездник

Спаривание Rhagoletis pomonella
на боярышнике. Предком
яблоневой расы мух была
боярышниковая. На яблоках
впервые найдены в 1864 г.
Яблони завезли колонисты в
1647 г.
Самец Diachasma alloeum
на яблоке, зараженном личинками мух.
Предком яблоневой расы наездников
была черничная (с небольшой
гибридизацией с боярышниковой).
Элементы.ру

45.

Ричард Ленский. Эволюция в пробирке:
61 тысяча поколений E. coli
ZD Blount et al. Nature (2012)

46. Phylogenetic trees for LTEE populations

O Tenaillon et al. Nature 1–6 (2016) doi:10.1038/nature18959

47.

Fig 2. A Cit−clone can reinvade the Ara–3 population after the extinction event.
Turner CB, Blount ZD, Lenski RE (2015) Replaying Evolution to Test the Cause of Extinction of One Ecotype in an Experimentally
Evolved Population. PLoS ONE 10(11): e0142050. doi:10.1371/journal.pone.0142050
http://journals.plos.org/plosone/article?id=info:doi/10.1371/journal.pone.0142050

48. Устойчивость бактерий к антибиотикам

• 1929 – открытие пенициллина
• 1940-е – начало применения
• начало 1950-х – появление лекарственной
устойчивости
• резистентность в непатогенных (почвенных)
бактериях
• горизонтальный перенос генов
• пациенты переносят между больницами

49. Лекарственная устойчивость

пенициллин
тетрациклин
эритромицин
метициллин
гентамицин
ванкомицин
имипенем
цефтазидим
левофлоксацин
линезолид
даптомицин
v
цефалоспорин
мульти-резистентность
Ф.Кондрашов
Угрозы устойчивости к антибиотикам в США, ЦКБ, 2013
ANTIBIOTIC RESISTANCE THREATS in the United States, CDC, 2013

50. Распространение устойчивости

Золотистый
стафилококк:
% случаев,
вызванных
резистентной
формой
Ф.Кондрашов

51.

Доля случаев заболевания
мульти-резистентным туберкулёзом
Ф.Кондрашов
WHO: ANTIMICROBIAL RESISTANCE report April 2014
ВОЗ: РЕЗИСТЕНЦИЯ К АНТИМИКРОБНЫМ ЛЕКАРСТВАМ отчет апрель 2014

52.

«Эволюция и передача лекарственноустойчивого туберкулеза в России»
В Самарской области 48%
случаев туберкулёза вызваны
мультирезистентным
штаммом (рифампицин и
изониазид не эффективны) и
16% – супермультирезистентным
штаммом (дополнительные
лекарства неэффективны). В
мире в среднем эти доли
составляют суммарно 9%
(против 64% в России).
Ф.Кондрашов

53. Новые классы антибиотиков, 1929-1987

ВОЗ,
апрель
2014
Ф.Кондрашов

54.

Новые антибиотики 1983-2007
Г.А.Базыкин

55. «Камень-ножницы-бумага», или цена устойчивости

S – чувствительный (sensitive), дикий тип
C – продуцент колицина (colicin)
R – устойчивый (resistant) к колицину
Kerr B, Riley MA, Feldman MW, Bohannan BJ. Nature. 2002
Kirkup BC, Riley MA. Nature. 2004

56. 5 мутаций в гене бета-лактамазы, устойчивость к цефотаксиму (цефалоспорин 3-го поколения)

57. Эволюция на чашке Петри

Kishony Lab.,
Science
09.09.2016

58.

Г.А.Базыкин

59.

Европа: запрет с января 2016
США: запрет с сентября 2017

60.

Европа: запрет с 2006.
США: 80% тоннажа антибиотиков – в
животноводстве. 60% из них – соединения,
используемые и в медицине; их применение
запрещено с 1.1.2017.

61.

Иммунная система как модель эволюции
http://www.madsci.org/

62. Раковые заболевания и теория эволюции

Раковые заболевания как
экологический
и эволюционный процесс
2006
Раковые заболевания - эволюция
клональных клеток в теле. Это
понимание имеет значительное
последствия для клинической
картины рака, в том числе, для
понимания роста раковых опухолей,
их предотвращения и лечения. Идея,
что рак это эволюционная задача не
нова, но пока применению
эволюционной биологии для
понимания и контроля раковых
опухолей уделялось немного
внимания. Сейчас эта ситуация
начинает меняется.
Ф.А.Кондрашов

63. Эволюционная теория описывает рост раковых опухолей

Эволюция в половых и
бесполых популяциях
Americal Naturalist 1965
Раковые заболевания
как экологический и
эволюционный процесс
2006
Ф.А.Кондрашов

64.

Что надо иметь в виду,
чтобы обсуждать эволюцию (человека)?
• Большинство зафиксировавшихся мутаций –
нейтральны
• Полезных мутаций совсем мало, и их эффект
незначителен
• Отбор – слабая сила, работает на больших
временах (трудно заметить)
• Можно увидеть изменения частот вариантов
• Впрочем, есть и относительно недавние
морфологические изменения
• Предсказывать имеет смысл, исходя из
изменения условий / направления и силы отбора

65.

Непереносимость лактозы
Северная Европа:
C T (–13010)
Ближний Восток:
G A (–22018)
T G (–13915)
Центральная Африка:
G C (–14010)
T G (–13915)
C G (13907)

66. Серповидноклеточная анемия

Бета-глобин
А T => E6V
(глутамат валин)

67. Малярия

68. Историческая заболеваемость малярией

Частота
мутантного
аллеля Hbb

69. Болезнь Тая-Сакса

• Ранняя детская амавротическая идиотия
• Аутосомно-рецессивная
• Мутация в гене гексоаминидазы А
(HEXA)
• Распространена у евреев-ашкеназов
(3% носителей), у марокканских и
иракских евреев повышена, но
существенно ниже
• Защищает от туберкулеза

70. Дофаминовый рецептор DRD4

• 4 повтора: 16–96%
• 7 повторов:
– 48% в Америке
– 2% в Китае
• 2 повтора:
– 3% в Америке
– 2% в Африке
– 18% в Китае

71. Индейцы Pima и ожирение

72. Эволюция продолжается

• МНС (иммунитет)
• Лактаза
• Голубые глаза
• Светлые волосы
• Высокий рост

73.

Врачи и ученые в журнале Science:
Медицина нуждается в эволюции
При подготовке врачей недостаточно внимания
уделяется теории эволюции. Это отрицательно влияет
на развитие современной медицины.
Ф.А.Кондрашов

74.

http://evolutionfund.ru/