Фогель, Мотульски - Генетика человека - 3 (Фогель, Мотульски - Генетика человека - 1990), страница 5

Это открытие стимулировало выяснение эволюционных взаимосвязей между видами путем сравнения числа различий в аминокислотных последовательностях их гомологичных белков. В таких работах строились фнлогенетические деревья, которые могли сопоставляться с соответствующими схемами, полученными на основе классических палеонтологических и морфологических данных.

Методы построения этих деревьев описаны многими авторами (51; 1919; 1921; 1954]. Филогенетическое древо, основанное на результатах сравнения гемоглобинакых генов ! 1991]. На рис. 7.9 приведено филогенетическое древо для ряда видов позвоночных, включая человека, шимпанзе и гориллу, построенное на основе сравнения аминокислотных последовательностей миоглобина и генов НЬп и НЬВ.

Временная шкала базируется на палеонтологических данных. Анализ этого древа показывает, что в ходе дивергенцни человека и шимпанзе в указанных генах произошла только одна замена основания, а при дивергенции человека и гориллы — три. Миллионы лвт Свиньи лори Мвквк | Чвловвк1 Лоавль Ковлв Горилле Шимлвнвв Опоссум Собака Овцв Похожие схемы можно построить и для других белков, а также, объединив соответствующие данные, для совокупности всех известных белков.

Они могут охватывать не только позвоночных, но и более широкий круг таксонов, включающий беспозвоночных и даже (прн использовании таких универсальных белков, как гистоны или цитохром С) растения, грибы и микроорганизмы. Телтлы эволюции разных белков. Можно провести сравнение числа мутаций, зафиксированных в разных белках при прохождении определенного числа этапов видо- образования. Оказывается, что некоторые белки эволюнпонируют с гораздо большей скоростью, чем другие (табл. 7.4).

Гистоны, например, удивительно стабильны, тогда как эволюция фибринопептидов шла очень быстро. Учитывая, что в ходе эволюции фиксируется лишь незначительная часть всех мутаций — приблизительно одна на 3,5 миллиона 119143,-мы можем без колебаний отвергнуть объяснение, связы- 18 .7. Эволюция человека Рис. 7,9, Филогенетическое древо генов мяоглобвна, а-цепв я 8-целя гемоглобина. По лрдииате отложево приблизительное время рас.

хождсвял филогеяетвческвх лвяяй, установленное ва основе цалеовтологвческих данных. Цифры ва ребрах-это числа вуклеотвдвых замов, по которым различаются виды, Цифры в (3-это числа замен, скорректированные ва многоступенчатые мутации. Последолательвость ывоглобива свиньи цока расшифрована веволвостью, поэтому соответствующая оденка числа замен слегка занижена (811. вающее различия в скорости эволюции с различиями в частотах возникновения мутаций; по-видимому, причину правильнее искать в функциях соответствующих белков. Например, функция фибринопептидов не является очень специфичной (они отщепляются в процессе превращения фибриногена в фибрин).

Этим, возможно, и объясняется высокая скорость их эволюции. С другой стороны, конформация гистонов, очевидно„подвергается очень сильным ограничениям. Они вступают в тонкое пространственное взаимодействие с ДНК. Весьма вероятно, что эти белки выполняют какую-то критическую функцию, которая нарушается даже при небольших изменениях в нх молекулах. Дулликаиии генов.

Как отмечалось в разд. 4.3, молекула гемоглобина А (НЪА) состоит из двух а- и двух р-цепей; НЬР вместо р-цепей содержит у-цепи, а НЬАэ— б-цепи. Во многих гомологичных сайтах цепей всех четырех типов находятся одннаковые аминокислоты. Наиболее очевидное 7 Эволюция человека 19 Таблица 7.4. Скорость фяксапяи мутапяонеых замен и ходе эволюции (5Ц Час»о ФТМ» зз !00 мзв двз Фябрянопевтяды 90 Гормон роста 37 Пзнкреатаческая рибояуклеаза ЗЗ Иммуаогдобудииы 32 н-пепь С-обдасти 39 д-пепь Ч-областей 33 т-йель С-областей 31 "ь-цепь С-обдаств 27 Лд Лу 25 Гемогдобияовые цепи !4 Мяогдобяя 13 Пдвкреати ческий секретяруеммй вигибитор трипсииа 11 Люоеим животных 10 Гестрвв 8 Медаяотропин 8 7 Эяпефвдитогеввый белок мяедааовых ободочек 7 Треаеяиогеи 5 Иясудив 4 Цатохром С 3 Гдицердльдегяд-З.фосфат — дегадрогеидза Гастон 1Ч 2 0,06 » ! ФТМ вЂ” ! Фвксероваввзя точкозая мугадвз/!00 оооюзвсдотвмх остатков за !00 мде двт Фиксированное зове«вой мутацией вззмвзвтоя замена в данном белке адеоа аминокислоты вз другую объяснение данного факта состоит в том, что все эти гены, а также ген цепи миоглобнна, произошли от одной предковой последовательности.

Для такой функциональной дифференциации требовалась дупликация этих генов. В результате одна ю копий продолжала выступать в прежней роли, в то время как другая имела возможность приобрести новую функцию. На ряс. 7.10 показаны этапы дуплипирования гемсглобиновых генов, приуроченные к стадиям эволюции и привязанные с известным приближением к временнбй шкале.

Дуплнкацни генетического материала— отдельных генов, коротких участков хромосом и генома в целом (полиплоидизация)-вмеют ключевое значение для эволю- ции. В ходе эволюции млекопитающих полиплоццнзапия, по-видимому, уже не происходнла (1573; в то же время небольшие дупликадии и нехватки возникали довольно часто. Эволюция генов, коди7зуюзпих белковые домены. До сих пор мы рассматривали только изменения в аминокислотных последовательностях.

Известно, однако, что белки имеют специфическую трехмерную структуру, которая обычно создается двумя илн более расположенными друг за другом «доменамн», т. е. последовательностями с молекулярной массой в 20000, свернутыми таким образом, что количество контактов внутри домена оказывается намного больше, чем между последовательностями разных доменов. При сравнении доменов из разных белков обнаружилось, что конформационное сходство распространено существенно шире, чем ожидалось на основании результатов сопоставления аминокислотных последовательностей. Белковые домены могут иметь очень похожие конформации и при отсутствии сходства в аминокислотных последовательностях.

В ходе эволюции фиксация мутаций происходила только в том случае, если соответствующая аминокислотная замена не нарушала конформации белка (19793. Согласно теоретическим расчетам, всего 200 — 500 доменов могли послужить основными единицами, нз которых составлено громадное число различных белков, имеющихся у живых организмов. Как отмечалось в разд. 2.3.3, гены эукариот состоят из нескольких экзонов (экспрессируемых последовательностей ДНК), разделенных ннтронами (неэкспрессируемыми последовательностями).

Отдельные экзоны, по-видимому, часто содержат последовательности ДНК, кодирующие такой белковый домен. Например, можно показать, что ген фактора ЧШС (разд. 2.3.3.7) соответствует трем доменам, обозначаемым буквами А, В и С. Домен А состоит из 330 аминокислот, домен  — из 980, а домен С вЂ” из 150. Эти домены располагаются в порядке А1— А2 — В-АЗ вЂ” С1 — С2. Домен А обнаруживает неожиданную, но «значительную гомологию с церулоплазмином» вЂ” медьсодержа- Кртглоротые Кратные рыбы Выошие ылекопита !Р!аоептааа! Антропоилы Многл пн . лет! цепь О = лтпликацин 20 7.

Эволюция человека Рне. 7.!О. Этапы дуплицирования гемоглобиноаых генов и стадии эволюции, на которых происходили дуппикации. Дополнительные дунликации привели к появлению гемоглобиновых це- щим белком сыворотки, который также имеет три домена А, но не содержит доме- нов В и С (см. разд. 2.3.7). Лолезные или нейтральные му!нации? Почему определенные аминокислоты в последовательности за длительный период замещаиггся другими? Существуют два возможных объяснения: либо эти замены приводят к усовершенствованию функциональных свойств молекулы, дающему ей селективное преимущество, либо мутации нейтрал! .ы или даже слабо вредны и фшгсирунтся в результате генетического дрейфа или случайно (равд.

б.4). Последнее объяснение особенно ревностно отстаивает Кимура (1941; 1942!. Во введении к своей монографии [! 94!) Кимура пишет: «! еория нейтральности утверждает, что большинство эволюционных изменений на молекулярном уровне, выявляемых при сравнительном изучении аминокислотных последовательностей белков и нуклеотилных последовательностей ДНК, обусловлено не дарвиновским отбором, а случайным дрейфом селективно нейтральных или почти нейтральных мутаций. Эта теория ие отрицает роли естественного отбора в определении направления адаптивной эволюции, однако она предполагает, что адаптивную приролу имеет лишь незначительная часть эволюционных изменений первичной структуры ДНК, тогда как громадное боль- пей, обнаруживаемых у ранних эмбрионов.

Кроме того„у человека имеется еще по дае т- и ц-цопи. Информация о точном времени Луаликаций в случае генов этих цепей отсутствует. шинство фенотинически «молчащих» замен нуклеотидов не оказывает никакого существенного влияния на выживание и воспроизведение...

В теории нейтральности утверждается также, что ббльшая часть внутривидовой изменчивости на молекулярном уровне, проявляющейся, например, в виде полиморфиэма белков, нейтральна, и поэтому большинство полиморфных аллелей, имеющихся у какого-либо вида, поддерживается за счет мутационного процесса и случайной элиминации.... (Она) трактует полиморфизм белков и ДНК как переходную фазу молекулярной эволюции и отвергает представление, согласно которому большинство таких систем поляморфизма имеет адаптивное значение и в пределах вида поддерживается одной нз форм балансирующего отбора».