Ikhtisar
Hipotesis jam molekuler menyatakan bahwa substitusi nukleotida atau asam amino terakumulasi pada laju yang relatif konstan sepanjang waktu evolusi. Jika lajunya diketahui, dikalibrasi berdasarkan catatan fosil atau peristiwa geologis, besarnya divergensi urutan antara dua garis keturunan dapat diubah menjadi perkiraan waktu divergensinya. Wawasan ini mengubah biologi evolusioner dengan memberikan kerangka kuantitatif untuk menentukan penanggalan peristiwa spesiasi di seluruh pohon kehidupan, termasuk kelompok dengan catatan fosil yang jarang.
Konsep Utama
Jam molekuler yang ketat mengasumsikan tingkat substitusi yang sama untuk semua garis keturunan, yang sering kali dilanggar dalam data nyata. Model jam santai memungkinkan laju bervariasi antar garis keturunan, biasanya diambil dari distribusi lognormal atau eksponensial. Kalibrasi melibatkan penjangkaran simpul dengan fosil tertanggal atau peristiwa biogeografis yang diketahui untuk mengubah waktu relatif menjadi usia absolut. Program seperti BEAST dan MCMCTree menerapkan pendekatan jam santai Bayesian yang bersama-sama memperkirakan topologi, laju, dan waktu divergensi sambil memperhitungkan ketidakpastian dalam titik kalibrasi.
Alur Kerja Praktis
Analisis jam molekuler yang khas dimulai dengan penyelarasan urutan gen ortologis dari taksa yang diminati. Keputusan pertama adalah pemilihan model jam: uji rasio kemungkinan yang membandingkan jam ketat dengan model jam santai dapat menentukan apakah tingkat heterogenitas antar garis keturunan signifikan. Untuk analisis jam santai Bayesian di BEAST, file XML masukan dihasilkan melalui BEAUti, di mana pengguna menentukan model substitusi (misalnya, GTR+G), model jam (misalnya, jam santai lognormal yang tidak berkorelasi), dan pohon sebelumnya (misalnya, proses Yule atau kelahiran-kematian). Kalibrasi dilakukan dengan menetapkan distribusi prior ke usia simpul berdasarkan bukti fosil, misalnya, lognormal prior dengan offset yang sama dengan usia fosil dan deviasi standar yang mencerminkan ketidakpastian kalibrasi. Rantai MCMC dijalankan selama 50–200 juta generasi, pengambilan sampel dilakukan setiap 5.000–10.000 langkah, dan konvergensi dinilai dengan memastikan ukuran sampel efektif melebihi 200 untuk semua parameter. Perangkat lunak pelacak memvisualisasikan distribusi waktu divergensi posterior dan memeriksa stasioneritas. Setelah membuang burn-in, TreeAnnotator merangkum sampel pohon posterior sebagai pohon kredibilitas clade maksimum dengan rata-rata usia simpul dan interval kepadatan posterior tertinggi 95%. Filogeni yang dikalibrasi waktu yang dihasilkan mengungkapkan kapan peristiwa spesiasi penting terjadi, memberikan kerangka waktu untuk analisis evolusi dan ekologi.
Aplikasi
Jam molekuler telah merevolusi pemahaman kita tentang rentang waktu evolusi. Mereka menentukan tanggal asal usul klade utama, melacak munculnya resistensi obat pada patogen, dan menentukan waktu terjadinya pandemi virus. Metode ini bergantung pada data pengurutan DNA yang andal untuk mengukur divergensi dan sering diterapkan pada genetika bakteri untuk memperkirakan usia garis keturunan patogen. Dalam virologi, jam molekuler yang dikalibrasi berdasarkan tanggal pengumpulan yang diketahui membantu melacak kemunculan strain baru, melengkapi penelitian struktur dan klasifikasi virus.
