Übersicht
Die Hypothese der molekularen Uhr geht davon aus, dass sich Nukleotid- oder Aminosäuresubstitutionen im Laufe der Evolution mit einer relativ konstanten Geschwindigkeit anhäufen. Wenn die Rate bekannt ist – kalibriert anhand des Fossilienbestands oder geologischer Ereignisse – kann das Ausmaß der Sequenzdivergenz zwischen zwei Abstammungslinien in eine Schätzung ihrer Divergenzzeit umgewandelt werden. Diese Erkenntnis veränderte die Evolutionsbiologie, indem sie einen quantitativen Rahmen für die Datierung von Artbildungsereignissen im gesamten Lebensbaum lieferte, einschließlich Gruppen mit spärlichen Fossilienbeständen.
Schlüsselkonzepte
Eine strikte molekulare Uhr geht von der gleichen Substitutionsrate für alle Abstammungslinien aus, was in realen Daten häufig verletzt wird. Relaxed-Clock-Modelle ermöglichen eine Variation der Raten zwischen den Abstammungslinien, typischerweise anhand einer logarithmischen Normalverteilung oder einer Exponentialverteilung. Bei der Kalibrierung werden Knoten mit datierten Fossilien oder bekannten biogeografischen Ereignissen verankert, um relative Zeiten in absolute Alter umzuwandeln. Programme wie BEAST und MCMCTree implementieren bayesianisch entspannte Taktansätze, die gemeinsam Topologie, Raten und Divergenzzeiten schätzen und dabei die Unsicherheit der Kalibrierungspunkte berücksichtigen.
Praktischer Arbeitsablauf
Eine typische Analyse der molekularen Uhr beginnt mit einem Sequenzabgleich orthologer Gene aus den interessierenden Taxa. Die erste Entscheidung ist die Auswahl des Uhrenmodells: Ein Likelihood-Ratio-Test, der die strenge Uhr mit einem entspannten Uhrenmodell vergleicht, kann bestimmen, ob die Ratenheterogenität zwischen Abstammungslinien signifikant ist. Für Bayes’sche Relaxed-Clock-Analysen in BEAST wird die Eingabe-XML-Datei über BEAUti generiert, wobei der Benutzer das Substitutionsmodell (z. B. GTR+G), das Clock-Modell (z. B. unkorrelierte lognormale Relaxed-Clock) und den Prior-Baum (z. B. Yule-Prozess oder Geburt-Tod) angibt. Die Kalibrierung erfolgt durch Zuweisen von Prior-Verteilungen zu Knotenaltern basierend auf fossilen Beweisen – zum Beispiel ein Lognormal-Prior mit einem Offset, der dem Alter des Fossils entspricht, und einer Standardabweichung, die die Unsicherheit der Kalibrierung widerspiegelt. Die MCMC-Kette wird über 50–200 Millionen Generationen hinweg betrieben, wobei alle 5.000–10.000 Schritte Stichproben entnommen werden. Die Konvergenz wird bewertet, indem sichergestellt wird, dass die effektive Stichprobengröße für alle Parameter 200 übersteigt. Die Tracer-Software visualisiert die hinteren Verteilungen der Divergenzzeiten und prüft die Stationarität. Nach dem Verwerfen des Einbrennens fasst TreeAnnotator die Stichprobe des hinteren Baums als Baum mit maximaler Klade-Glaubwürdigkeit mit mittlerem Knotenalter und Intervallen mit der höchsten hinteren Dichte von 95 % zusammen. Die resultierende zeitkalibrierte Phylogenie zeigt, wann wichtige Artbildungsereignisse stattfanden, und bietet einen zeitlichen Rahmen für evolutionäre und ökologische Analysen.
Anwendungen
Molekulare Uhren haben unser Verständnis evolutionärer Zeitskalen revolutioniert. Sie datieren den Ursprung der Hauptgruppen, verfolgen die Entstehung von Arzneimittelresistenzen bei Krankheitserregern und bestimmen die Zeitspanne für Viruspandemien. Die Methode basiert auf zuverlässigen DNA-Sequenzierungs-Daten zur Messung der Divergenz und wird häufig in der Bakteriengenetik angewendet, um das Alter pathogener Abstammungslinien abzuschätzen. In der Virologie helfen molekulare Uhren, die anhand bekannter Sammeldaten kalibriert werden, dabei, die Entstehung neuer Stämme zu verfolgen, und ergänzen Studien zur Virusstruktur und -klassifizierung (/de/guides/viral-structure-and-classification.html).
