Кратко и по существу.
Что такое молекулярный час
- Концепция: число молекулярных различий между двумя таксонами растёт пропорционально времени с момента их дивергенции при постоянной среднем темпе молекулярных замен. Это позволяет оценивать время расхождения по генетическому расстоянию.
- Простая формула (нейтральная модель, равные скорости по ветвям):
$$D=2\mu T\Rightarrow T=\frac{D}{2\mu },$$ где $D$ — доля различий (или скорректированное расстояние), $\mu$ — скорость замен на сайт в год для одной линии, $T$ — время дивергенции.
Какие данные нужны
- Последовательности (ДНК/РНК/белки) из ортологичных генов или множества генов/гомолога генома.
- Качественная выравнивающая матрица (удаление плохо выровненных участков, инделов).
- Оценки генетических расстояний с учётом модели замещений (Jukes–Cantor, Kimura, GTR и т.д.).
- Калибровочные точки во временной шкале (фоссилии, геологические/биогеографические события) с указанием неопределённости (минимумы/максимумы или распределения).
- При использовании методов байесовского/ML — модели эволюции, априорные распределения и параметры часов (строгие или расслабленные).
Ключевые предположения
- Наличие или приближенность к постоянной средней скорости замен (строгий час) либо заданная модель вариации скорости (релаксированные часы).
- Использование ортологичных последовательностей (отсутствие паралогии).
- Модели замещений адекватно описывают реальный процесс (коррекция множественных замен, неоднородность по позициям).
- Калибровки корректны (фоссилии дают минимум/информацию о времени дивергенции и правильно интерпретированы).
Ограничения и источники ошибок
1. Вариация скоростей между линиями:
- Генетические скорости зависят от вида, поколения, метаболизма, размеров популяции; строгий час часто нарушается.
- Решение: тесты относительной скорости, использование релаксированных часов (автокоррелированные, некоррелированные логнормальные модели).
2. Несправедливость моделей замещений и насыщение:
- При больших временах множественные замены (multiple hits) занижают оцениваемое расстояние;
- Требуются сложные модели и коррекции; при сильной насыщении глубинные оценки ненадёжны.
3. Калибровки:
- Фоссилии обычно дают только минимальный возраст; максимум часто неопределён.
- Ошибки в идентификации фоссилий, неверная привязка к узлу или использование вторичных калибровок приводят к сдвигам.
- Влияние: время может быть смещено и/или иметь заниженные интервалы уверенности.
4. Генетические и геномные факторы:
- Паралогия/неполные ортологи, рекомбинация, горизонтальный перенос (особенно у бактерий) и несовпадение генового и видового дерева (incomplete lineage sorting) — приводят к неверным оценкам.
- Решение: использовать множество независимых локусов, согласование геновых деревьев в модели вида (species tree).
5. Выбор генов и сайтов:
- Митохондриальные гены быстрее, нуклеарные — медленнее; разные участки дают разные оценки.
- Кодонные позиции, функциональное давление (отбор) меняют скорость замены; отбор и консервативность искажают молекулярный час.
6. Статистическая неопределённость:
- Малые выборки данных и слабые калибровки дают широкие доверительные/достоверные интервалы.
- Байесовские методы чувствительны к априорным распределениям для калибровок и скоростей.
Практические рекомендации для снижения ошибок
- Использовать несколько независимых калибровок с явными диапазонами (не только один фосил).
- Применять релаксированные модели часов и сравнивать со строгим часом (тесты).
- Использовать множество ортологичных локусов/сегментов; контролировать насыщение и отбор.
- Корректно моделировать замены (адекватная модель, коррекция множественных замен).
- Проверять чувствительность результатов к выбору калибровок и приорных распределений.
- Отдавать предпочтение комплексным методам (байесовские реализации в BEAST, MCMCtree, PhyloBayes) и сообщать интервалы неопределённости.
Краткий итог
- Молекулярный час — полезный инструмент для датировки дивергенций, но надёжность зависит от корректных калибровок, адекватности моделей и учёта вариации скоростей. Ошибки происходят из несовершенства данных (фоссилии, выравнивание), модельных допущений и биологических процессов (отбор, рекомбинация, HGT, ILS).