С.Г. Инге-Вечтомов - Генетика с основами селекции (1117682), страница 93
Текст из файла (страница 93)
490 Миоглобин Пра-о а Все гемоглобины Внутриутробный т гемоглобин Гемоглобин 19 р взрослого человека о ГемоГлобин Аз Рлс. 19.8. Эволюции генов, кодмруююлк гемоглобн- ны человека (Э. Цукеркандл, 19бб): Пра-о-нредконмй гемоглобин, кружки —. моменты дунан- кацан гена, сопровождаемые транслокацнеа В геномах эукариот находят нефункциональные копии нормальных генов: лишенные интронов, свойственных полноценным копиям; несущие различные мутации, прежде всего — нонсенсы и сдвиги считывания. Эти копии получили название псевдогенов. Их существование подтверждает саму возможность сцкранения дупликатных копий генетических единиц, которые могут служить материалом для возникновения новых генов.
Параллельно с дупликацией и дивергенцией генетического материала действует еще один важный механизм прогрессивной эволюции — процесс слияния генов. При формировании разных (современных) генов эти процессы происходили в различной последовательности, создавая эволюционную историю каждого гена. Слияние дупликатных копий одною и того же гена вызывает повторы в первичной структуре одной полипептидной цепи.
С течеййем времени, в результате непрекра1цающегося действия мутационного процесса, такие повторы в белковой молекуле становятся труднодоказуемыми. Анализ аминокислотных последовательностей 163 белков, представляющих 116 надсемейств, обнаружил внутренние дупликации в белковых молекулах 20 надсемейств. Примером белков такоро типа служит альбумин быка. Этот белок состоит более чем из 580 аминокислотных остатков и, как показал анализ первичной структуры, имеет 9 повторов. Если обратиться непосредственно к анализу первичной структуры генов, то оказывается, что в них встречаются так называемые несовершенные повторы нуклеотидных последовательностей. Несовершенные повторы — это сходные нуклеотидные последовательности в гене, встречающиеся достоверно чаще, чем можно ожидать на основе предположения о случайном совпадении.
Повторы могут быть прямыми, инвергировинными и комплеменгирными 11илиндро-, мами (рис. 19.9). В. А. Ратнер с сотрудниками разработал программу для компьютерного поиска таких повторов и обнаружил их в ряде генов про- и эукариот, В качестве примера на рис. 19.10 л 11 10 Рис. 19.9. Типы повторов в генах (В. А.
Ратнер и др„!985). Л вЂ” примой; Б — инвертирован- 4 нмй;  — «омплементарнмй палиндром Рис. 19.10. Наблюдаемые и ожидаемые (темните) частоты примых повторов в гене О— суйаединицы РНК-полимерааы Е. сой' (В. А. Ратнер и др„1985). Длина гена — !839 п. н., л — число повторов, !в длина повтора, а — число раэличающихси нуклеотидов в несовершенном повторе ! 12 14 23 28 30 О 1 6 7 !О 492 представлены частоты несовершенных повторов в гене, кодирующем о-фактор РНК-полимеразы Е. со(!'. Существование повторов указывает на возможность участия перестроек (см, гл. 13) в эволюции каждого гена. Дупликатныв копии одного и того же гена могут сливаться как между собой, так и с другими генами. В последнем случае, сопоставляя амййокислотные последовательности некоторых белков, приходят к выводу, что они гомологичны в одной части белковой молекулы и не гомологичны — в другой.
К таким белкам относятся НАД-зависимые дегидрогенизы. Было показано„что они состоят из двух функциональных и структурных частей — !)оменоп. Один домен выполняет функцию связывания коэнзима (НАД), а второй несет каталитический центр связывания субстрата, а также центры взаимодействия субъединиц. Третичная структура той части полипептидной цепи, которая выполняет функцию связывания динуклеотидного кофермента, в остальной части молекулы у разных дегидрогеназ совершенно различна. Сходство третичной структуры НАД-связывающего домена у четырех различных дегидрогеназ позволило предположить, что предковые гены современных дегидрогеназ возникли в результате слияния дупликатных копий гена, контролирующего белок, связывающий динуклеотид с другими генами.
Действительно, быао показано, что участок полипептидной цепи приблизительно в 140 аминокислотных остатков, соответствующий НАД-связывающему домену, имеет гомологичную аминокислотную последовательность у всех сравниваемых дегидрогеназ. В настоящее время возможность слияния генов в процессе эволюции доказана путем их экспериментального слияния. Так, например, осуществлено слияние генов 614 Р и )пг С у 5. 1ур61- тилит.
При этом показано, что «гибридный» белок образует два самостоятельных домена и проявляет ферментативные активности, свойственные исходным белкам, синтезируемым под контролем этих генов. По-видимому, в эволюции осуществляется и противоположный процесс — разделение генов. Так, при мягком протеолитическом расщеплении мультифункциональных белков могут быть выделены фрагменты полипептидной цепи, осуществляющие отдельные ферментативные реакции.
Например, ДНК-лолимеразу ! Е. сол таким образом можно расщепить на малый аминотерминальный фрагмент (35 000 Д) с 5' — 3'-экзонуклеазной активностью и на большой фрагмент (76 000 Д), обладающий полимеразной и 3' — 5'-экзонуклеазной активностью. Все эти данные свидетельствуют о функциональной и структурной самостоятельности доменов. Возможно домены— основные единицы эволюционных преобразований белков.
Обвединение и разделение доменов и соответствующих им «до-генов», как образно назвал Т. Р. Сойдла участки ДНК, кодирующие самостоятельные домены, происходили в эволюции неоднократно. Одни и те же функциональные центры находятся в разных сочетаниях, т. е. в одной и той же или разных полипептидных цепях у разных видов. Интрон-экзонная структура генов вносит дополнительные коррективы в их эволюционные преобразования у эукариот. Во-первых, интроны увеличивают расстояния между до-генами, кодирующими разные домены, и таким образом повышают вероятность их перетасовки как таковых.
Во-вторых, интроны, не кодирующие какой-либо активности, фиксируют замены нуклеотидов и протяженные перестройки значительно быстрее, чем экзоны. Как показал В. А. Ратнер с сотрудниками на примере шести генов семейства В-цепей ггиоглобинов, большая часть неслучайных повторов концентрируется в интронах и некодирующих областях генов. 19.7. Эволюция систем регуляции Сравнение путей биосинтеза основных низкомолекулярных компонентов клетки, а также путей утилизации исгочников углерода и азота показывает, что они в основном одинаковы у большинства организмов. Матричные процессы: репликация, транскрипция и трансляция — также сходны. Все это заставляет предполагать, что основная нагрузка в ходе эволюции падала на изменения не столько структурных генов, сколько регуляторных систем. К сожалению, знания о механизмах регуляции у эукариот еще недостаточны.
Тем не менее уже можно отметить некоторые фундаментальные различия регуляции у про- и эукариот. При 493 изложении основных тенденций в эволюции гена отмечались автономизации генетических единиц у эукариот по сравнению с прокариотами и эволюция регуляторных систем. Действительно, при оперонной организации у бактерий (см. гл. 16) изменения регуляции затрагивают целые блоки генов, в то время как у эукариот дифференциация регуляторных систем отдельных генов делает этот процесс лабильнее, н изменения регуляции могут касаться отдельных генов. Возникновение хромосом и хроматина, представляющего собой комплекс ДНК и гистонов, создало принципиально новые возможности регуляции, основанные на изменении компактизацни генетического материала. Появились такие новые регуляторные элементы, как энхансеры и глушители (см.
гл. 1б). Обнаруженные уже у бактерий подвижные элементы, перемещаясь, затрагивают экспрессию целых оперонов. У эукариот мигрируюшие элементы изменяют экспрессию отдельных генов. Тем самым создается более тонкая система настройки, большее разнообразие реакций, подхватываемых естественным отбором. При этом следует учесть, что в своей структуре мобильные элементы часто несут сигналы инициации (промоторы) и терминации транскрипции. Таким образом, мигрирующие элементы, перемешаясь по геному, действуют и как средство изменения экспрессии генов, н как средство эволюции структуры генома. Это происходит благодаря тому, что один и тот же мнгрнрующий элемент, локализованный в разных (негомологичных) частях генома, служит для рекомбинации, приводящей к хромосомным перестройкам и транспозициям генов (см. гл.
!3). В то же время мобильные элементы могут играть роль мигрирующих промоторов, объединяя структурные гены и регуляторные элементы, настраивая их на общие сигналы регуляции. Таким образом, пути эволюции структуры и экспрессии генома оказываются объединенными. Итак, закономерности микро- и макроэволюцни связаны с преобразованием структуры генов. Анализ генов и кодируемых ими макромолекул (белков, РНК) выявил не только основные тенденции в эволюционном преобразовании генетического материала, но и показал пути преобразования генов. Стало очевидно, что точковые мутации — замены нуклеотидов н аминокислотных остатков сами по себе недостаточны для прогрессивной эволюции. Новые гены этим путем возникнуть не могут.
Они образуются благодаря перестройкам генетического материала — прежде всего дупликациям, а также нерегулярным рекомбиницнлм, приводящим к слиянию и разделению целых генов н их частей, кодирующих отдельные домены. Такая блочная эволюция получила дальнейшее развитие у эукариот благодаря автономизации генов н их частей, кодирующих отдельные домены в мозаичных генах с интрон-зкзонной структурой. Автономнзация генов у эукариот создала дополнительные возможности и для эволюции регуляторных систем, о чем можно судить пока весьма приблизительно, поскольку плохо известна~ ханизмы регуляции генов у эукариот. Существенную роль в эволюции регуляторных систем, по-видимому, играют мигрнрующие :элементы, которые одновременно являются и фактором эволюции 'структуры генома. Вопросы я главе 19 1.
Каковы основные отличия генов прокариот и эукариот? 2. В чем сходна и чем отличается организация генов у вирусов прохариот и зукариот? Э. Последовательность 20 последних аминокислот в а..и Р-цепях гемоглобина человска имеет следушший виц: а: Нп — А1а — Бег — 1.ен- — Азр — 1.уз — Рье — ?.еп — А!а — Бег— !1: С1п — А1а — А!а — Туг — ОЬ вЂ” 1.уз — Уа! — Уа1 — А!а С!?в и — г'а! — Бег — Тйг — У а! — 1еп — Тьг — Бег — ?.уз — Туг --Лгй р — т'а1 — Л!а — Азп — Л1а — 1.ен — Л!а — НН вЂ” 1.уз — Туг — Нп Использую генетический «ов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
