الشبكة العصبية (التطور)

الشبكة المحايدة هي مجموعة من الجينات المرتبطة ببعضها البعض عبر طفرات نقطية، وتؤدي وظائف أو قدرات متماثلة . ^{[ 1 ]} يمثل كل عقدة تسلسلًا جينيًا، ويمثل كل خط الطفرة التي تربط بين تسلسلين. يمكن اعتبار الشبكات المحايدة بمثابة هضاب عالية ومسطحة في فضاء القدرة . خلال التطور المحايد ، يمكن للجينات أن تتحرك عشوائيًا عبر الشبكات المحايدة وتجتاز مناطق من فضاء التسلسل، مما قد يؤثر على المتانة وقابلية التطور .

توجد الشبكات المحايدة في بيئات اللياقة نظرًا لمقاومة البروتينات للطفرات. يؤدي هذا إلى شبكات ممتدة من الجينات ذات الوظائف المتكافئة، والمرتبطة بطفرات محايدة . ^{[ 2 ] [ 3 ]} تقاوم البروتينات الطفرات لأن العديد من التسلسلات يمكن أن تتخذ طيات هيكلية متشابهة للغاية . ^{[ 4 ]} يتبنى البروتين مجموعة محدودة من التكوينات الأصلية لأن هذه التكوينات تمتلك طاقة أقل من حالات عدم الطي والطي الخاطئ (ΔΔG للطي). ^{[ 5 ] [ 6 ]} يتحقق ذلك من خلال شبكة داخلية موزعة من التفاعلات التعاونية ( الكارهة للماء ، والقطبية، والتساهمية ) . ^{[ 7 ]} تنتج متانة بنية البروتين عن كون عدد قليل من الطفرات الفردية كافيًا لإحداث اضطراب في الوظيفة. كما تطورت البروتينات لتجنب التكتل ^{[ 8 ]} حيث يمكن للبروتينات المطوية جزئيًا أن تتحد لتكوين ألياف وكتل بروتينية كبيرة ومتكررة وغير قابلة للذوبان . ^{[ ٩ ]} ثمة أدلة تشير إلى أن البروتينات تُظهر خصائص تصميم سلبية للحد من انكشاف أنماط الصفائح بيتا المعرضة للتكتل في بنيتها. ^{[ ١٠ ]} إضافةً إلى ذلك، ثمة بعض الأدلة على أن الشفرة الوراثية نفسها قد تكون مُحسَّنة بحيث تؤدي معظم الطفرات النقطية إلى أحماض أمينية متشابهة ( محافظة ). ^{[ ١١ ] [ ١٢ ]} تُؤدي هذه العوامل مجتمعةً إلى توزيع لتأثيرات الطفرات على اللياقة يحتوي على نسبة عالية من الطفرات المحايدة وشبه المحايدة. ^{[ ١٣ ]}

الشبكات المحايدة هي مجموعة فرعية من التسلسلات في فضاء التسلسلات التي لها وظائف متكافئة، وبالتالي تُشكّل هضبة واسعة ومسطحة في فضاء اللياقة . لذا، يمكن تصوّر التطور المحايد على أنه انتشار مجموعة من الأفراد من مجموعة من عُقد التسلسلات، عبر الشبكة المحايدة، إلى مجموعة أخرى من عُقد التسلسلات. وبما أن غالبية التطور يُعتقد أنها محايدة، ^{[ 14 ] [ 15 ]} فإن نسبة كبيرة من التغير الجيني هي حركة عبر شبكات محايدة واسعة النطاق.

المتانة

كلما زاد عدد الجيران المحايدين لتسلسل ما، زادت مقاومته للطفرات، إذ يُرجّح أن تُحوّله الطفرات ببساطة إلى تسلسل وظيفي مماثل. ^{[ 1 ]} في الواقع، إذا وُجدت اختلافات كبيرة بين عدد الجيران المحايدين لتسلسلات مختلفة ضمن شبكة محايدة، يُتوقع أن يتطور التجمع السكاني نحو هذه التسلسلات المقاومة. يُطلق على هذا أحيانًا اسم الحياد المحيطي، وهو يُمثل ابتعاد التجمعات السكانية عن المنحدرات في مشهد اللياقة . ^{[ 16 ]} يؤثر التفاعل بين قوى التطور، مثل معدل الطفرة، ومعدل إعادة التركيب، وديناميكيات التجمع السكاني، وبنية المشهد المحايد، على خصائص مقاومة الأنماط الجينية وتوزيعها المتوقع داخل الشبكة المحايدة. وقد ثبت أن نسبة معدل الطفرة إلى معدل إعادة التركيب تؤثر بشكل خاص على تموضع الأنماط الجينية داخل الشبكة المحايدة، إما نحو مركزية ذاتية عالية أو نحو جاذبات ديناميكيات إعادة تركيب محددة. ^{[ 17 ]}

بالإضافة إلى النماذج الحاسوبية، ^{[ 18 ]} بدأت هذه العمليات في التأكيد من خلال التطور التجريبي للسيتوكروم P450 ^{[ 19 ]} و B-لاكتاماز . ^{[ 20 ]}

اقترح فريز ويوشيدا في عام 1965 أن الطفرات المحايدة كانت على الأرجح واسعة الانتشار. ^{[ 28 ]} وفي عام 1968، صاغ موتو كيمورا نظرية التطور المحايد، ^{[ 29 ]} بينما اقترح كينغ وجوكس بشكل مستقل نظرية مماثلة (1969). ^{[ 30 ]} حسب كيمورا معدل استبدال النيوكليوتيدات في مجموعة سكانية (أي متوسط ​​الوقت اللازم لحدوث استبدال زوج قاعدي واحد داخل الجينوم) ووجد أنه يبلغ حوالي 1.8 سنة. ووفقًا لصيغة هالدين ، فإن مثل هذا المعدل المرتفع لا يمكن تحمله من قبل أي مجموعة من الثدييات . ولذلك، استنتج أن طفرات استبدال النيوكليوتيدات المحايدة (أو شبه المحايدة) في الحمض النووي هي السائدة في الثدييات. وحسب أن هذه الطفرات تحدث بمعدل يتراوح بين 0 و5 طفرات سنويًا لكل مشيج.

في السنوات اللاحقة، ظهر نموذج جديد يعتبر الحمض النووي الريبوزي (RNA) جزيئًا أوليًا للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين ( DNA ). وقد طرح كريك مبدأ الجزيء الأولي في وقت مبكر من عام 1968 ، ^{[ 31 ]} مما أدى إلى ما يُعرف الآن بفرضية عالم الحمض النووي الريبوزي . ^{[ 32 ]} يوجد الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين ( DNA) في الغالب على شكل حلزونات مزدوجة ذات قواعد مزدوجة ، بينما يكون الحمض النووي الريبوزي (RNA ) أحادي السلسلة، وغالبًا ما يُظهر تفاعلات معقدة بين القواعد. ويعود ذلك إلى قدرته المتزايدة على تكوين روابط هيدروجينية ، وهي حقيقة تنبع من وجود مجموعة هيدروكسيل إضافية في سكر الريبوز .

في سبعينيات القرن العشرين، وضع شتاين ووترمان الأسس لعلم تركيب البنى الثانوية للحمض النووي الريبي (RNA ). ^{[ 33 ]} وقدّم ووترمان أول وصفٍ نظريٍّ بيانيٍّ للبنى الثانوية للحمض النووي الريبي وخصائصها المرتبطة بها، واستخدمها لإنتاج خوارزمية طيٍّ فعّالة ذات طاقة حرة دنيا (MFE). ^{[ 34 ]} يمكن النظر إلى البنية الثانوية للحمض النووي الريبي على أنها رسم بيانيٌّ ذو N رأسًا مُصنَّفة، حيث تُمثَّل أزواج قواعد واتسون-كريك بأقواسٍ غير متقاطعة في النصف العلوي من المستوى. وبالتالي، فإن البنية الثانوية هي هيكلٌ يحتوي على العديد من التسلسلات المتوافقة مع قيود اقتران القواعد الضمنية. لاحقًا، طوّر سميث ووترمان خوارزميةً تُجري محاذاةً محليةً للتسلسل. ^{[ 35 ]} وقدّم نوسينوف خوارزمية تنبؤٍ أخرى للبنية الثانوية للحمض النووي الريبي . ^{[ 36 ]} وصفت خوارزمية نوسينوف مشكلة الطي على أبجديةٍ من حرفين على أنها مشكلة تحسينٍ بيانيٍّ مستوٍ، حيث تكون الكمية المراد تعظيمها هي عدد التطابقات في سلسلة التسلسل.

في عام 1980، قام هاول وآخرون بحساب دالة توليد لجميع طيات تسلسل معين ^{[ 37 ]،} بينما وصف د. سانكوف (1985) خوارزميات لمحاذاة التسلسلات المحدودة، والتنبؤ بالبنى الثانوية للحمض النووي الريبي (الطي)، وإعادة بناء التسلسلات الأولية على شجرة تطورية ^{[ 38 ]} . لاحقًا، أنتج ووترمان وتيمبل (1986) خوارزمية برمجة ديناميكية (DP) ذات زمن متعدد الحدود للتنبؤ بالبنية الثانوية العامة للحمض النووي الريبي ^{[ 39 ]} . وفي عام 1990، قدم جون مكاسكيل خوارزمية برمجة ديناميكية ذات زمن متعدد الحدود لحساب دالة التقسيم الكاملة للتوازن لبنية ثانوية للحمض النووي الريبي ^{[ 40 ]} . غيّر هذا الحساب السائد لطي الحمض النووي الريبي من ربط التسلسل ببنية ثلاثية الأبعاد معينة، إلى ربط التسلسل بمجموعة كاملة موزونة من البنى، مما يُحسّن من كفاءة الحمض النووي الريبي، التي تعتمد على التسلسل عبر الطي، مما يُسهّل الحصول على شبكات أكثر حيادية.

قام م. زوكر بتطبيق خوارزميات لحساب الهياكل الثانوية لـ MFE RNA ^{[ 41 ]} استنادًا إلى عمل نوسينوف وآخرون ^{[ 36 ]} ، وسميث ووترمان ^{[ 35 ]} ، وستودنيكا وآخرون ^{[ 42 ]} . وفي وقت لاحق، قدم ل. هوفاكر (وآخرون، 1994) ^{[ 43 ]} حزمة فيينا RNA ، وهي حزمة برمجية تدمج طي MFE وحساب دالة التقسيم بالإضافة إلى احتمالات اقتران القواعد.

حوّل بيتر شوستر و دبليو فونتانا (1994) التركيز نحو خرائط التسلسل إلى البنية ( النمط الجيني - النمط الظاهري ). استخدموا خوارزمية الطي العكسي لإنتاج دليل حسابي على أن تسلسلات الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي تشترك في نفس البنية تتوزع عشوائيًا في فضاء التسلسل . لاحظوا أنه يمكن الوصول إلى بنى مشتركة من تسلسل عشوائي ببضع طفرات فقط. قادتهم هاتان الحقيقتان إلى استنتاج أن فضاء التسلسل يبدو أنه مُتخلل بشبكات محايدة من الطفرات المتجاورة الأقرب التي تطوى إلى نفس البنية. ^{[ 44 ]}

في عام ١٩٩٧، وضع كلٌ من سي. ريديس ستادلر وشوستر الأسس الرياضية لدراسة وتصميم نماذج الشبكات المحايدة للبنى الثانوية للحمض النووي الريبي (RNA) . وباستخدام نموذج الرسم البياني العشوائي، أثبتا وجود قيمة عتبة لاتصال الرسوم البيانية الفرعية العشوائية في فضاء التكوين، مُعَلمة بالمعامل λ، وهو نسبة الجيران المحايدين. وأظهرا أن الشبكات تكون متصلة وتتخلل فضاء التسلسل إذا تجاوزت نسبة أقرب الجيران المحايدين λ*، وهي قيمة العتبة. أما دون هذه العتبة، فتنقسم الشبكات إلى مكون عملاق كبير وعدة مكونات أصغر. وقد انصبت النتائج الرئيسية لهذا التحليل على دوال العتبة للكثافة والاتصال للشبكات المحايدة، بالإضافة إلى تخمين شوستر حول فضاء الشكل. ^{[ ٤٤ ] [ ٤٥ ] [ ٤٦ ]}

• النظرية المحايدة للتطور الجزيئي
• عالم الحمض النووي الريبي
• البنية الثانوية للأحماض النووية