النظرية المحايدة للتطور الجزيئي

تنص النظرية المحايدة للتطور الجزيئي على أن معظم التغيرات التطورية تحدث على المستوى الجزيئي، وأن معظم التباين داخل الأنواع وبينها يعود إلى الانحراف الوراثي العشوائي للأليلات الطافرة المحايدة انتقائياً . وتنطبق هذه النظرية فقط على التطور على المستوى الجزيئي، وهي متوافقة مع التطور الظاهري الذي يتشكل بفعل الانتقاء الطبيعي كما افترض تشارلز داروين .

تسمح النظرية المحايدة باحتمالية أن تكون معظم الطفرات ضارة، لكنها ترى أنها، نظرًا لإزالتها السريعة بفعل الانتقاء الطبيعي ، لا تُسهم بشكلٍ كبير في التباين داخل الأنواع وبينها على المستوى الجزيئي. الطفرة المحايدة هي تلك التي لا تؤثر على قدرة الكائن الحي على البقاء والتكاثر.

تفترض النظرية المحايدة أن معظم الطفرات غير الضارة هي محايدة وليست مفيدة. ولأن جزءًا صغيرًا فقط من الأمشاج يُؤخذ في كل جيل من أجيال النوع، فإن النظرية المحايدة تشير إلى أن الأليل الطافر يمكن أن ينشأ داخل جماعة سكانية ويستقر فيها بالصدفة ، وليس عن طريق ميزة انتقائية. ^{[ 1 ]}

طُرحت هذه النظرية من قِبل عالم الأحياء الياباني موتو كيمورا عام 1968، وبشكل مستقل من قِبل عالمي الأحياء الأمريكيين جاك ليستر كينغ وتوماس هيوز جوكس عام 1969، ووصفها كيمورا بالتفصيل في كتابه الصادر عام 1983 بعنوان " النظرية المحايدة للتطور الجزيئي ". وقد أعقب طرح النظرية المحايدة جدل واسع النطاق بين مؤيديها ومعارضيها حول تفسير أنماط التباين الجزيئي وتعدد أشكال الجينات ، وبلغ هذا الجدل ذروته في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين.

تُستخدم النظرية المحايدة بشكل متكرر كفرضية أساسية ، على عكس التفسيرات التكيفية ، لوصف ظهور السمات المورفولوجية أو الجينية في الكائنات الحية والمجموعات السكانية. وقد طُرح هذا في عدد من المجالات، بما في ذلك تفسير التباين الجيني بين مجموعات سكانية من نوع واحد، ^{[ 2 ]} وظهور آليات خلوية معقدة، ^{[ 3 ]} والظهور المتقارب لعدة أشكال مورفولوجية نموذجية للميكروبات. ^{[ 4 ]}

بينما أشار بعض العلماء، مثل فريز (1962) ^{[ 5 ]} وفريز ويوشيدا (1965) ^{[ 6 ]} ، إلى أن الطفرات المحايدة ربما تكون منتشرة على نطاق واسع، فقد نشر آر. إيه. فيشر الاشتقاق الرياضي الأصلي للنظرية عام 1930. ^{[ 7 ]} ومع ذلك، قدم فيشر حجة منطقية للاعتقاد بأن استبدال الجينات المحايد سيكون نادرًا جدًا في الواقع. ^{[ 8 ]} وقد اقترح موتو كيمورا نظرية متماسكة للتطور المحايد لأول مرة عام 1968 ^{[ 9 ]} ، ثم اقترحها كينغ وجوكس بشكل مستقل عام 1969. ^{[ 10 ]} ركز كيمورا في البداية على الاختلافات بين الأنواع، بينما ركز كينغ وجوكس على الاختلافات داخل النوع الواحد.

ساهم العديد من علماء الأحياء الجزيئية وعلماء الوراثة السكانية أيضًا في تطوير النظرية المحايدة. ^{[ 1 ] [ 11 ] [ 12 ]} وقد أدت مبادئ علم الوراثة السكانية ، التي وضعها كل من جيه بي إس هالدين ، وآر إيه فيشر ، وسيوول رايت ، إلى إنشاء منهج رياضي لتحليل ترددات الجينات ، مما ساهم في تطوير نظرية كيمورا.

استُخدمت معضلة هالدين المتعلقة بتكلفة الانتقاء كدافع من قبل كيمورا. وقدّر هالدين أن الأمر يستغرق حوالي 300 جيل حتى تثبت طفرة مفيدة في سلالة الثدييات، مما يعني أن عدد الاستبدالات (1.5 استبدال في السنة) في التطور بين البشر والشمبانزي كان مرتفعًا جدًا بحيث لا يمكن تفسيره بالطفرات المفيدة.

تنص النظرية المحايدة على أنه مع انخفاض القيود الوظيفية، يزداد احتمال أن تكون الطفرة محايدة، وكذلك ينبغي أن يرتفع معدل تباعد التسلسل.

عند مقارنة البروتينات المختلفة ، لوحظت معدلات تطور عالية للغاية في بروتينات مثل الفيبرينوببتيدات والسلسلة C لجزيء البروأنسولين ، والتي تتميز بوظائف ضئيلة أو معدومة مقارنةً بجزيئاتها النشطة. كما قدّر كيمورا وأوتا أن سلسلتي ألفا وبيتا على سطح بروتين الهيموجلوبين تتطوران بمعدل أسرع بعشر مرات تقريبًا من الجيوب الداخلية، مما يشير إلى أن البنية الجزيئية العامة للهيموجلوبين أقل أهمية من البنية الداخلية حيث توجد مجموعات الهيم المحتوية على الحديد. ^{[ 13 ]}

تشير الأدلة إلى أن معدلات استبدال النيوكليوتيدات مرتفعة بشكل خاص في الموضع الثالث من الكودون ، حيث يكون القيد الوظيفي ضئيلاً. ^{[ 14 ]} يستند هذا الرأي جزئيًا إلى الشفرة الوراثية المتغيرة ، حيث قد تختلف تسلسلات ثلاثة نيوكليوتيدات ( كودونات ) ومع ذلك تشفر نفس الحمض الأميني ( على سبيل المثال، يشفر كل من GCC و GCA حمض الألانين ). ونتيجة لذلك، فإن العديد من التغيرات المحتملة في النيوكليوتيدات المفردة تكون في الواقع "صامتة" أو "غير معبر عنها" (انظر الاستبدال المترادف أو الصامت ). يُفترض أن هذه التغيرات ليس لها تأثير بيولوجي يُذكر. ^{[ 15 ]}

كما طور كيمورا نموذج المواقع اللانهائية (ISM) لتوفير نظرة ثاقبة حول معدلات تطور الأليلات الطافرة . إذا${\displaystyle v}$كان من المفترض أن يمثل معدل طفرة الأمشاج لكل جيل من${\displaystyle N}$الأفراد، كل منهم يمتلك مجموعتين من الكروموسومات ، يكون العدد الإجمالي للطفرات الجديدة في كل جيل هو${\displaystyle 2Nv}$والآن لنبدأ${\displaystyle k}$يمثل معدل التطور بدلالة الأليل الطافر${\displaystyle \mu }$^{[ 16 ]} أن تصبح ثابتة في مجتمع ما.

${\displaystyle k=2Nv\mu }$

وفقًا لـ ISM، تظهر الطفرات المحايدة بشكل انتقائي بمعدل${\displaystyle \mu }$في كل من${\displaystyle 2N}$نسخ من جين ، وتثبيت باحتمالية${\displaystyle 1/(2N)}$لأن أيًا من${\displaystyle 2N}$تتمتع الجينات بالقدرة على أن تصبح ثابتة في مجموعة سكانية،${\displaystyle 1/2N}$يساوي${\displaystyle \mu }$مما ينتج عنه معادلة معدل التطور:

${\displaystyle k=v}$

هذا يعني أنه إذا كانت جميع الطفرات محايدة، فمن المتوقع أن يكون معدل تراكم الاختلافات الثابتة بين المجموعات السكانية المتباينة مساويًا لمعدل الطفرات لكل فرد، بغض النظر عن حجم المجموعة السكانية. وعندما تكون نسبة الطفرات المحايدة ثابتة، يكون معدل التباعد بين المجموعات السكانية ثابتًا أيضًا. وهذا يُبرر وجود الساعة الجزيئية ، التي سبقت نظرية الطفرات المحايدة. ^{[ 17 ]} كما تُظهر طريقة ISM ثباتًا يُلاحظ في السلالات الجزيئية .

يُفترض أن هذه العملية العشوائية تخضع لمعادلات تصف الانحراف الوراثي العشوائي الناتج عن حوادث أخذ العينات، بدلاً من، على سبيل المثال، انتقال أليل محايد وراثيًا نتيجة ارتباطه بأليلات غير محايدة. بعد ظهوره عن طريق الطفرة، قد يصبح الأليل المحايد أكثر شيوعًا في المجتمع من خلال الانحراف الوراثي . عادةً ما يختفي، أو في حالات نادرة قد يثبت ، أي يصبح الأليل الجديد هو السائد في المجتمع.

وفقًا للنظرية المحايدة للتطور الجزيئي، يجب أن يكون مقدار التباين الجيني داخل النوع الواحد متناسبًا مع حجم السكان الفعال .

نشأ جدل حاد عندما تم نشر نظرية كيمورا، وتدور إلى حد كبير حول النسب المئوية النسبية للأليلات متعددة الأشكال والثابتة التي تعتبر "محايدة" مقابل "غير محايدة".

يعني التعدد الشكلي الجيني وجود أشكال مختلفة من جينات معينة، وبالتالي من البروتينات التي تنتجها، داخل النوع الواحد. يزعم أنصار الانتقاء أن هذا التعدد الشكلي يُحافظ عليه من خلال الانتقاء المتوازن ، بينما ينظر أنصار الحياد إلى تنوع البروتين على أنه مرحلة عابرة من التطور الجزيئي . ^{[ 1 ]} أظهرت دراسات أجراها ريتشارد ك. كوهن وويليام إف. إينز وجود علاقة بين التعدد الشكلي والوزن الجزيئي لوحداته الفرعية . ^{[ 18 ]} يتوافق هذا مع افتراض نظرية الحياد بأن الوحدات الفرعية الأكبر حجمًا يجب أن يكون لها معدلات طفرات محايدة أعلى. من ناحية أخرى، يعزو أنصار الانتقاء الظروف البيئية إلى كونها المحددات الرئيسية للتعدد الشكلي بدلاً من العوامل الهيكلية والوظيفية. ^{[ 16 ]}

وفقًا للنظرية المحايدة للتطور الجزيئي، ينبغي أن تتناسب كمية التباين الجيني داخل النوع الواحد مع حجم التجمع الفعال . إلا أن مستويات التنوع الجيني تتفاوت بدرجة أقل بكثير من أحجام التجمعات السكانية المُسجلة، مما يُؤدي إلى ما يُعرف بـ"مفارقة التباين". ^{[ 19 ]} وبينما كانت المستويات العالية من التنوع الجيني إحدى الحجج الأصلية المؤيدة للنظرية المحايدة، أصبحت مفارقة التباين إحدى أقوى الحجج المُعارضة لها.

توجد العديد من الأساليب الإحصائية لاختبار مدى دقة نظرية الحياد في وصف التطور (مثل اختبار ماكدونالد-كريتمان ^{[ 20 ]} )، وقد ادعى العديد من الباحثين اكتشاف الانتقاء. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] ومع ذلك ،} جادل بعض الباحثين بأن نظرية الحياد لا تزال قائمة، مع توسيع تعريفها ليشمل الانتقاء الخلفي في المواقع المرتبطة. ^{[ 27 ]}

أكدت توموكو أوتا أيضًا على أهمية الطفرات شبه المحايدة ، ولا سيما الطفرات الضارة بشكل طفيف. ^{[ 28 ]} تنبثق نظرية الطفرات شبه المحايدة من تنبؤ نظرية الطفرات المحايدة بأن التوازن بين الانتقاء والانحراف الوراثي يعتمد على حجم التجمع الفعال . ^{[ 29 ]} الطفرات شبه المحايدة هي تلك التي تحمل معاملات انتقاء أقل من مقلوب ضعف حجم التجمع الفعال. ^{[ 30 ]} لا تختلف ديناميكيات التجمع للطفرات شبه المحايدة إلا قليلاً عن ديناميكيات الطفرات المحايدة، ما لم تكن القيمة المطلقة لمعامل الانتقاء أكبر من 1/N، حيث N هو حجم التجمع الفعال بالنسبة للانتقاء. ^{[ 1 ] [ 11 ] [ 12 ]} يؤثر حجم التجمع الفعال على ما إذا كان يمكن اعتبار الطفرات الضارة بشكل طفيف محايدة أم ضارة. ^{[ 31 ]} في التجمعات الكبيرة، يمكن للانتقاء أن يقلل من تواتر الطفرات الضارة بشكل طفيف، وبالتالي يتصرف كما لو كانت ضارة. مع ذلك، في التجمعات السكانية الصغيرة، يمكن للانحراف الوراثي أن يتغلب بسهولة أكبر على الانتقاء، مما يتسبب في أن تتصرف الطفرات الضارة بشكل طفيف كما لو كانت محايدة وتنجرف نحو التثبيت أو الفقدان. ^{[ 31 ]}

وُضعت أسس نظرية التطور المحايد البنّاء (CNE) من خلال ورقتين بحثيتين نُشرتا في تسعينيات القرن الماضي. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} وتُشير هذه النظرية إلى إمكانية ظهور تراكيب وعمليات معقدة من خلال تحولات محايدة. ورغم أنها نظرية مستقلة تمامًا، إلا أن تركيزها على الحياد كعملية يتم من خلالها تثبيت الأليلات المحايدة عشوائيًا بفعل الانحراف الوراثي ، يستلهم بعض الشيء من المحاولة السابقة لنظرية الحياد لتأكيد أهميتها في التطور. ^{[ 34 ]} من الناحية المفاهيمية، يتكون النظام من مُكوّنين A وB (قد يُمثلان بروتينين) يتفاعلان مع بعضهما. لا يعتمد المُكوّن A، الذي يؤدي وظيفةً للنظام، على تفاعله مع B لأداء وظيفته، وقد يكون هذا التفاعل نفسه قد نشأ عشوائيًا لدى فردٍ ما، مع إمكانية اختفائه دون التأثير على لياقة المُكوّن A. ولذلك، يُطلق على هذا التفاعل الحالي، وإن كان غير ضروري، اسم "القدرة الفائضة" للنظام. مع ذلك، قد تحدث طفرة تُضعف قدرة المُكوّن A على أداء وظيفته بشكل مستقل. مع ذلك، فإن التفاعل بين A وB الذي ظهر بالفعل يحافظ على قدرة A على أداء وظيفتها الأصلية. لذا، فإن ظهور هذا التفاعل "يكبح" الطبيعة الضارة للطفرة، مما يجعلها تغييرًا محايدًا في الجينوم قادرًا على الانتشار في المجتمع عبر الانحراف الوراثي العشوائي. ومن ثم، اكتسبت A اعتمادًا على تفاعلها مع B. ^{[ 35 ]} في هذه الحالة، سيكون لفقدان B أو التفاعل بين A وB تأثير سلبي على اللياقة، وبالتالي سيقضي الانتقاء التطهيري على الأفراد الذين يحدث فيهم هذا التأثير. في حين أن كل خطوة من هذه الخطوات قابلة للعكس بشكل فردي (على سبيل المثال، قد تستعيد A قدرتها على العمل بشكل مستقل أو قد يُفقد التفاعل بين A وB)، فإن تسلسلًا عشوائيًا من الطفرات يميل إلى تقليل قدرة A على العمل بشكل مستقل، وقد يؤدي مسار عشوائي عبر فضاء الاعتماد إلى تكوين يكون فيه عودة A إلى استقلالها الوظيفي أمرًا مستبعدًا للغاية، مما يجعل CNE عملية أحادية الاتجاه أو "شبيهة بالترس". ^{[ 36 ]} وقد استُخدمت نظرية العناصر الأساسية المشتركة (CNE)، التي لا تعتمد على آليات التكيف لتفسير نشأة الأنظمة الأكثر تعقيدًا (والتي تتضمن أجزاءً وتفاعلاتٍ أكثر تُساهم في تكوين الكل)، في فهم الأصول التطورية للمركب حقيقي النواة للجسيمات الرابطة، وتعديل الحمض النووي الريبوزي (RNA)، والبروتينات الريبوزومية الإضافية خارج النواة، وظهور الحمض النووي الريبوزي الطويل غير المشفر من الحمض النووي غير الوظيفي، وما إلى ذلك. ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39][ 40 ]} في بعض الحالات،إعادة بناء التسلسل السلفيإمكانية إثبات بعض الأمثلة المقترحة لـ CNE تجريبياً، كما هو الحال في معقدات البروتين الحلقية غير المتجانسة في بعض السلالات الفطرية ^{. [ 41 ]}

طُرحت فرضية التباين البيئي (CNE) كفرضية أساسية لتفسير البنى المعقدة، ولذا يجب اختبار التفسيرات التكيفية لظهور التعقيد بدقة، حالةً بحالة، في ضوء هذه الفرضية الأساسية قبل قبولها. وتشمل أسباب استخدام فرضية التباين البيئي كفرضية أساسية أنها لا تفترض أن التغيرات قدّمت فائدة تكيفية للكائن المضيف أو أنها خضعت لاختيار اتجاهي، مع الحفاظ على أهمية تقديم أدلة أكثر دقة على التكيف عند استخدامها لتجنب العيوب المفرطة للتكيف التي انتقدها غولد وليونتين. ^{[ 42 ] [ 3 ] [ 43 ]}

تُؤيَّد التنبؤات المُستمدة من النظرية المحايدة عمومًا في دراسات التطور الجزيئي. ^{[ 44 ]} ومن نتائج هذه النظرية أن كفاءة الانتقاء الإيجابي تكون أعلى في التجمعات السكانية أو الأنواع ذات الأحجام السكانية الفعالة الأكبر . ^{[ 45 ]} وقد تم إثبات هذه العلاقة بين الحجم السكاني الفعال وكفاءة الانتقاء من خلال الدراسات الجينومية لأنواع تشمل الشمبانزي والإنسان ^{[ 45 ]} والأنواع المستأنسة. ^{[ 46 ]} في التجمعات السكانية الصغيرة (مثلًا، اختناق سكاني أثناء حدث تباين الأنواع )، من المفترض أن تتراكم الطفرات الضارة بشكل طفيف. وتدعم البيانات من أنواع مختلفة هذا التنبؤ، حيث إن نسبة استبدال النيوكليوتيدات غير المترادفة إلى المترادفة بين الأنواع تتجاوز عمومًا تلك الموجودة داخل النوع الواحد. ^{[ 31 ]} بالإضافة إلى ذلك، تتراكم استبدالات النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية عمومًا بمرور الوقت بطريقة خطية، وهو ما يتوافق مع النظرية المحايدة. ^{[ 44 ]} وتستشهد الحجج المُعارضة للنظرية المحايدة بأدلة على الانتقاء الإيجابي واسع النطاق وعمليات المسح الانتقائي في البيانات الجينومية. ^{[ 47 ]} قد يختلف الدعم التجريبي لنظرية الحياد تبعًا لنوع البيانات الجينومية المدروسة والأدوات الإحصائية المستخدمة للكشف عن الانتقاء الإيجابي. ^{[ 44 ]} على سبيل المثال، وُجهت انتقادات للطرق البايزية للكشف عن مواقع الكودونات المنتقاة واختبارات ماكدونالد-كريتمان بسبب معدل تحديدها الخاطئ للانتقاء الإيجابي. ^{[ 31 ] [ 44 ]}

• التطور التكيفي في الجينوم البشري
• نظرية الاندماج
• تطور التعقيد البيولوجي
• ماساتوشي ني
• التطور الجزيئي
• توموكو أوتا
• النظرية المحايدة الموحدة للتنوع البيولوجي

• المفاهيم الخاطئة حول الانتقاء الطبيعي والتكيف: النظرية المحايدة على الرابط http://evolution.berkeley.edu .
• "الاحتفال بمرور 50 عامًا على النظرية المحايدة" . علم الأحياء الجزيئي والتطور . يوليو 2018.