Tốc độ và phương thức tiến hóa của DNA ty thể ở động vật có xương sống ở cấp độ chuỗi axit amin: Tiến hóa nhanh ở động vật có máu nóng

Journal of Molecular Evolution - Tập 36 - Trang 270-281 - 1993
Jun Adachi1, Ying Cao2, Masami Hasegawa1,2
1Department of Statistical Science, The Graduate University for Advanced Study, Minato-ku, Tokyo, Japan
2The Institute of Statistical Mathematics, Minato-ku, Tokyo, Japan

Tóm tắt

Bằng cách sử dụng dữ liệu chuỗi hoàn chỉnh của DNA ty thể, ba mô hình Markov (mô hình Day-hoff, mô hình tỷ lệ, và mô hình Poisson) đã được áp dụng trong các phân tích tối đa khả năng của các protein được mã hóa bởi ty thể để ước lượng một cây phát sinh loài mô tả mối quan hệ giữa người, bò, cá voi, và loài gặm nhấm (chuột và kỵ mạch), với gà, ếch, và cá chép là nhóm đối chứng. Một nhánh của bò/cá voi đã được xác nhận với mức độ tin cậy trên 99,8% bởi bất kỳ một trong ba mô hình, nhưng thứ tự nhánh giữa người, loài gặm nhấm, và nhánh bò/cá voi vẫn chưa chắc chắn. Kết quả cho thấy mô hình Dayhoff là mô hình phù hợp nhất trong số các lựa chọn thay thế để xấp xỉ các sự thay thế axit amin của các protein được mã hóa bởi ty thể, điều này nhất quán với một phân tích trước đó của một tập dữ liệu hạn chế hơn. Nó đã được chỉ ra rằng tỷ lệ thay thế của các protein được mã hóa bởi ty thể đã tăng theo thứ tự từ cá, lưỡng cư, chim, đến động vật có vú, và tỷ lệ ở động vật có vú ít nhất gấp sáu lần, có thể là một bậc độ lớn, cao hơn so với tỷ lệ ở cá. Tỷ lệ tiến hóa cao hơn ở chim và động vật có vú so với lưỡng cư và cá được quy cho sự giảm bớt các ràng buộc chọn lọc tác động lên các protein trong các động vật có máu nóng và tỷ lệ đột biến cao của DNA ty thể ở chim và động vật có vú.

Từ khóa

#DNA ty thể #axit amin #mô hình Markov #tiến hóa #động vật có máu nóng

Tài liệu tham khảo

Adachi J, Hasegawa M (1992a) Computer science monographs vol 27. MOLPHY: Programs for molecular phylogenetics I—PROTML: Maximum likelihood inference of protein phylogeny. Institute of Statistical Mathematics, Tokyo Adachi J, Hasegawa M (1992b) Amino acid substitution of proteins coded for in mitochondrial DNA during mammalian evolution. Jpn J Genet 67:187–197 Akaike H (1974) A new look at the statistical model identification. IEEE Trans Autom Contr AC-19:716–723 Anderson S, Bankier AT, Barrell BG, de Bruijn MHL, Coulson AR, Drouin J, Eperon IC, Nierlich DP, Roe BA, Sanger F, Schreier PH, Smith ALH, Staden R, Young IG (1981) Sequence and organization of the human mitochondrial genome. Nature 290:457–464 Anderson S, Bruijn MHL, Coulson AR, Eperon IC, Sanger F, Young IG (1982) The complete sequence of bovine mitochondrial DNA: conserved features of the mammalian mitochondrial genome. J Mol Biol 156:683–717 Arnason U, Gullberg A, Widegren B (1991) The complete nucleotide sequence of the mitochondrial DNA of the fin whale, Balaenoptera physalus. J Mol Evol 33:556–568 Avise JC, Brwen BW, Lamb T, Meylan AB, Bermingham E (1992) Mitochondrial DNA evolution at a turtle's pace: evidence for low genetic variability and reduced microevolutionary rate in Testudines. Mol Biol Evol 9:457–473 Benton MJ (1990) Vertebrate palaeontology. Unwin Hyman, London Bibb MJ, Van Etten RA, Wright CT, Walberg MW, Clayton DA (1981) Sequence and gene organization of mouse mitochondrial DNA. Cell 26:167–180 Britten RJ (1986) Rates of DNA sequence evolution differ between taxonomic groups. Science 231:1393–1398 Brown GG, Simpson MV (1982) Novel features of animal mtDNA evolution as shown by sequences of two rat cytochrome oxidase subunit II genes. Proc Natl Acad Sci USA 79:3246–3250 Cann RL, Brown WM, Wilson AC (1984) Polymorphic sites and the mechanism of evolution in human mitochondrial DNA. Genetics 106:479–499 Carroll RL (1988) Vertebrate paleontology and evolution. Freeman, New York Dautigny A, Prager EM, Pham-Dinh D, Jollès J, Pakdel F, Grinde B, Jolles P (1991) cDNA and amino acid sequences of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) lysozymes and their implications for evolution of lysozyme and lactalbumin. J Mol Evol 32:187–198 Dayhoff MO, Schwartz RM, Orcutt BC (1978) A model of evolutionary change in proteins. In: Dayhoff MO (ed) Atlas of protein sequence and structure, vol 5, suppl 3. National Biomedical Research Foundation, Washington DC, pp 345–352 Desjardins P, Morais R (1990) Sequence and gene organization of the chicken mitochondrial genome: a novel gene order in higher vertebrates. J Mol Biol 212:599–634 Felsenstein J (1978) Cases in which parsimony and compatibility methods will be positively misleading. Syst Zool 27:401–410 Felsenstein J (1981) Evolutionary trees from DNA sequences: a maximum likelihood approach. J Mol Evol 17:368–376 Felsenstein J (1985) Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap. Evolution 39:783–791 Felsenstein J (1988) PHYLIP, version 3.1. University of Washington, Seattle Gadaleta G, Pepe G, De Candia G, Quagliariello C, Sbisa E, Saccone C (1989) The complete nucleotide sequence of the Rattus norvegicus mitochondrial genome: cryptic signals revealed by comparative analysis between vertebrates. J Mol Evol 28:497–516 Goodman M, Czelusniak J, Beeber JE (1985) Phylogeny of primates and other eutherian orders: a cladistic analysis using amino acid and nucleotide sequence data. Cladistics 1:171–185 Grantham R (1974) Amino acid difference formula to help explain protein evolution. Science 185:862–864 Graur D, Hide WA, Li W-H (1991) Is the guinea-pig a rodent? Nature 351:649–652 Hasegawa M, Kishino H, Yano T (1987) Man's place in Hominoidea as inferred from molecular clocks of DNA. J Mol Evol 26:132–147 Hasegawa M, Kishino H (1989) Heterogeneity of tempo and mode of mitochondrial DNA evolution among mammalian orders. Jpn J Genet 64:243–258 Hasegawa M, Kishino H, Hayasaka K, Horai S (1990) Mitochondrial DNA evolution in primates: transition rate has been extremely low in lemur. J Mol Evol 31:113–121 Hasegawa M, Kishino H, Saitou N (1991) On the maximum likelihood method in molecular phylogenetics. J Mol Evol 32: 443–445 Hasegawa M, Cao Y, Adachi J, Yano T (1992a) Rodent polyphyly? Nature 355:595–595 Hasegawa M, Hashimoto T, Adachi J (1992b) Origin and evolution of eukaryotes as inferred from protein sequence data. In: Hartman H, Matsuno K (eds) The origin and evolution of prokaryotic and eukaryotic cells. World Sci Publ (in press) Hasegawa M, Hashimoto T, Adachi J, Iwabe N, Miyata T (1993) Early divergences in the evolution of eukaryotes: ancient divergence of Entamoeba that lacks mitochondria revealed by protein sequence data. J Mol Evol (in press) Hashimoto T, Adachi J, Hasegawa M (1992) Phylogenetic place of Giardia lamblia, a protozoan that lacks mitochondria. Endocytobiosis Cell Res (in press) Hashimoto T, Otaka E, Adachi J, Mizuta K, Hasaegawa M (1993) The giant panda is most close to a bear, judged by α and β-hemoglobin sequences. J Mol Evol (in press) Horai S, Satta Y, Hayasaka K, Kondo R, Inoue T, Ishida T, Hayashi S, Takahata N (1992) Man's place in Hominoidea revealed by mitochondrial DNA genealogy. J Mol Evol 35: 32–43 Irwin DM, Kocher TD, Wilson AC (1991) Evolution of the cytochrome b gene of mammals. J Mol Evol 32:128–144 Jukes TH, Bhushan V (1986) Silent nucleotide substitutions and G + C content of some mitochondrial and bacterial genes. J Mol Evol 24:39–44 Kimura M (1983) The neutral theory of molecular evolution. Cambridge University Press, Cambridge Kimura M (1987) Molecular evolutionary clock and the neutral theory. J Mol Evol 26:24–33 Kishino H, Hasegawa M (1989) Evaluation of the maximum likelihood estimate of the evolutionary tree topologies from DNA sequence data, and the branching order in Hominoidea. J Mol Evol 29:170–179 Kishino H, Hasegawa M (1990) Converting distance to time: an application to human evolution. Methods Enzymol 183:550–570 Kishino H, Miyata T, Hasegawa M (1990) Maximum likelihood inference of protein phylogeny and the origin of chloroplasts. J Mol Evol 30:151–160 Kocher TD, Thomas WK, Meyer A, Edwards SV, Pääbo S, Villablanca FX, Wilson AC (1989) Dynamics of mitochondrial DNA evolution in animals: amplification and sequencing with conserved primers. Proc Natl Acad Sci USA 86:6196–6200 Li W-H, Tanimura M, Sharp PM (1987) An evaluation of the molecular clock hypothesis using mammalian DNA sequences. J Mol Evol 25:330–342 Li W-H, Gouy M, Sharp PM, O'hUigin C, Yang Y-W (1990) Molecular phylogeny of Rodentia, Lagomorpha, Primates, Artiodactyla, and Carnivora and molecular clocks. Proc Natl Acad Sci USA 87:6703–6707 Loomis WF, Smith DW (1990) Molecular phylogeny of Dictyostelium discoideum by protein sequence comparison. Proc Natl Acad Sci USA 87:9093–9097 Martin AP, Naylor GJP, Palumbi SR (1992) Rates of mitochondrial DNA evolution in sharks are slow compared with mammals. Nature 357:153–155 Meyer A, Wilson AC (1990) Origin of tetrapods inferred from their mitochondrial DNA affiliation fo lungfish. J Mol Evol 31:359–364 Miyamoto MM, Boyle SM (1989) The potential importance of mitochondrial DNA sequence data to eutherian mammal phylogeny. In: Fernholm B, Bremer K, Jornvall H (eds) The hierarchy of life. Elsevier Science Publisher, Amsterdam, pp 437–450 Miyata T, Yasunaga T (1980) Molecular evolution of mRNA: a method for estimating evolutionary rates of synonymous and amino acid substitutions from homologous nucleotide sequences and its application. J Mol Evol 16:23–36 Rabinowitz M, Swift H (1970) Mitochondrial nucleic acids and their relation to the biogenesis of mitochondria. Physiol Rev 50:376–427 Reeves JH (1992) Heterogeneity in the substitution process of amino acid sites of proteins coded for by mitochondrial DNA. J Mol Evol 35:17–31 Roe BA, Ma D-P, Wilson RK, Wong JF-H (1985) The complete nucleotide sequence of the Xenopus laevis mitochondrial genome. J Biol Chem 260:9759–9774 Sakamoto Y, Ishiguro M, Kitagawa G (1986) Akaike information criterion statistics. D Reidel Publ Comp, Dordrecht Southern SO, Southern PJ, Dizon AE (1988) Molecular characterization of a cloned dolphin mitochondrial genome. J Mol Evol 28:32–42 Sueoka N (1961) Correlation between base composition of deoxyribonucleic acid and amino acid composition of protein. Proc Natl Acad Sci USA 47:1141–1149 Thomas WK, Beckenbach AT (1989) Variation in salmonid mitochondrial DNA: evolutionary constraints and mechanisms of substitution. J Mol Evol 29:233–245 Vawter L, Brown WM (1986) Nuclear and mitochondrial DNA comparisons reveal extreme rate variation in their molecular clock. Science 234:194–196 Wilson AC, Cann RL, Carr SM, George M, Gyllensten UB, Helm-Bychowski KM, Higuchi RG, Palumbi SR, Prager EM, Sage RD, Stoneking M (1985) Mitochondrial DNA and two perspectives on evolutionary genetics. Biol J Linn Soc 26: 375–400 Wyss A (1990) Clues to the origin of whales. Nature 347:428–429