Том 1 (1129743), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Даже бактерии время от времени позволяют себеуправляемый половой обмен ДНК между членами одного и того же вида. Хотяэволюционисты и подвергают сомнению вопрос о преимуществе полового процессав естественном отборе, но он явно благоприятствовал организмам, способным воспроизводиться половым путем.1.2.11. Зачастую функция гена может быть установленапо его последовательностиВзаимосвязи генов в пределах семейства важны не только для их историческогозначения, но и потому, что они упрощают задачу расшифровки функций гена.
Послеопределения последовательности недавно открытого гена ученому достаточно ввестив компьютер всего несколько ключевых последовательностей, для того чтобы в сетевойбазе данных провести поиск известных последовательностей генов, родственных «толькочто обретенному». Во многих случаях функция одного или нескольких таких гомологовуже будет установлена экспериментально, а из этого, так как последовательность генаопределяет его функцию, во многих случаях можно предположить функцию новогогена: по всей вероятности, она будет подобна таковой для известных гомологов.Благодаря этому можно многое разгадать в биологии организма, просто анализируя последовательность ДНК его генома и используя уже известную информациюо функциях генов в других организмах, изученных более детально.1.2.12. Более 200 семейств генов являются общими для всех трехосновных ветвей древа жизниРасполагая полными последовательностями геномов организмов — представителей всех трех надцарств: архей, бактерий и эукариот, — мы можем провестисистемный анализ гомологичных последовательностей, которые будут перекрывать огромные эволюционные пропасти между ними.
Так мы сможем приступитьк оценке наследственного материала, общего для всех живых существ. Большиетрудности подстерегают исследователя в этом рискованном предприятии. Например,отдельные виды зачастую теряли некоторые предковые гены; другие гены почтинаверняка приобретены посредством горизонтального переноса от других видови поэтому не могут считаться истинно предковыми для этих видов, хотя и при-Глава 1. Клетки и геномы 67надлежат им.
Фактически, сравнение геномов настоятельно наводит на мысль, чтои обусловленная происхождением потеря генов, и горизонтальный перенос геновмежду эволюционно отдаленными видами в каких-то случаях становились главнымифакторами эволюции, по крайней мере среди прокариот. Наконец, на протяжении2 или 3 миллиардов лет эволюции некоторые гены, которые были первоначальнообщими, изменились до неузнаваемости по описанным выше причинам.Из-за всех этих превратностей эволюционного процесса создается впечатление,что только малая доля предковых семейств генов сохранилась у всех видов в легкоузнаваемой форме.
Таким образом, из 4 873 кодирующих белок семейств генов, которые идентифицированы при сопоставлении геномов 50 видов бактерий, 13 архейи 3 одноклеточных эукариот, только 63 оказались действительно вездесущими (тоесть представленными во всех проанализированных геномах). Значительное большинство этих универсальных семейств относится к компонентам систем транскрипции и трансляции.
Вряд ли их можно считать реальным приближением к предковомунабору генов. Лучшее — хотя все еще незрелое — представление о последнем можетбыть получено при регистрации таких семейств генов, которые есть у представителей многих, но не обязательно всех видов из всех трех надцарств. Таким анализомвыявлено 264 древних консервативных семейства. Каждому семейству может бытьприписана функция (по меньшей мере в плане общей биохимической активности,но, как правило, с большей точностью), при этом наибольшее число генов из этихобщих семейств участвует в трансляции, а также в метаболизме и транспортеаминокислот (таблица 1.2).
Такой набор высококонсервативных семейств геновпредставляет собою лишь предварительный набросок наследственного материала, единого для всей современной жизни; дальнейшие успехи в секвенированиигеномов и совершенствование методов проведения более тонкого сравнительногоанализа, возможно, позволят провести более точную реконструкцию набора генову последнего общего предка всех живых существ.1.2.13. Мутации раскрывают функции геновНе располагая дополнительной информацией, можно сколь угодно долговглядываться в последовательности геномов, но так и не углядеть функции генов.Конечно, мы можем опознать ген В, подобный гену А, но как распознать функциюгена А изначально? И даже зная функцию гена A, как мы можем проверить, действительно ли функция гена B тождественна ей, как это предполагает подобие ихпоследовательностей? Как совместить мир абстрактной генетической информациис миром реальных живых организмов?Анализ функций генов зависит от двух взаимодополняющих подходов: генетического и биохимического.
Генетика отталкивается от изучения мутантов: мынаходим или создаем организм, у которого интересующий нас ген видоизменен,и исследуем влияние измененного гена на строение и жизнедеятельность организма(рис. 1.28). Биохимия исследует функции молекул: мы извлекаем молекулы из организма и затем изучаем их химические свойства.
Объединяя генетику с биохимиейи исследуя химические отклонения в организме мутанта, можно найти именно темолекулы, производство которых зависит от данного гена. В то же время изучениежизнедеятельности организма мутанта показывает нам, какую роль эти молекулыиграют в функционировании организма в целом. Таким образом, объединенныеусилия генетики и биохимии позволяют связать воедино гены, молекулы, а такжестроение и функцирование организма.68Часть 1.
Введение в мир клеткиТаблица 1.2. Количество общих для всех трех надцарств живого мира семейств генов, сгруппированныхв соответствии с выполняемыми ими функциямиФУНКЦИЯ СЕМЕЙСТВА ГЕНОВОбработка информацииТрансляцияТанскрипцияРепликация, рекомбинация и репарацияВнутриклеточные процессы и передача сигналаУправление клеточным циклом, митоз и мейозЗащитные механизмыМеханизмы передачи сигналовБиогенез между клеточной стенкой и мембранойВнутриклеточный транспорт и выделениеПосттрансляционная модификация, белковый обмен, шапероныМетаболизмОбразование и превращение энергииТранспорт и метаболизм углеводовТранспорт и метаболизм аминокислотТранспорт и метаболизм нуклеотидовТранспорт и метаболизм коферментовТранспорт и метаболизм жировТранспорт и метаболизм неорганических ионовБиосинтез, транспорт и катаболизм вторичных метаболитовНедостаточно охарактеризованныеПредсказаны основные биохимические функции;не известна конкретная биологическая рольКОЛИЧЕСТВО«УНИВЕРСАЛЬНЫХ»СЕМЕЙСТВ63713231248191643152298524При проведении данного анализа семейства генов относили к «универсальным», если они былипредставлены в геномах, по крайней мере, двух различны архей (Archaeoglobus fulgidus и Aeropyrumpernix), двух эволюционно далеких бактерий (Escherichia coli и Bacillus subtilis) и одного эукариота(дрожжи Saccharomyces cerevisiae).
(Данные от R. L. Tatusov, E. V. Koonin и D. J. Lipman, Science 278:631–637, 1997, с разрешения AAAS; R. L. Tatusov et al., BMC Bioinformatics 4: 41, 2003, с разрешенияBioMed Central; и база данных COGs Национальной Медицинской Библиотеки США).В последние годы информация, полученная о последовательностях ДНК,и мощное совершенствование инструментария молекулярной биологии сделаливозможным стремительный прорыв в этой области. На основании сравнительногоанализа последовательностей в пределах одного гена часто можно идентифицироватьспецифические подобласти, которые остались почти неизменными в ходе эволюции. Такие консервативные подобласти, скорее всего, являются самыми важнымичастями гена с точки зрения его функции. Мы можем проверить вклад каждой изних в активность продукта гена, вызывая в лабораторных условиях искусственныемутации определенных участков в пределах гена или конструируя искусственныегибридные гены, в которых сочетаются части разных генов.
Дабы облегчить биохимический анализ, можно конструировать организмы, в больших количествахсинтезирующие как РНК, так и белки, предписываемые этим геном. СпециалистыГлава 1. Клетки и геномы 69Рис. 1.28. Мутантный фенотип, отражающий функцию гена.Нормальные дрожжи (вида Schizosaccharomyces pombe)по сравнению с мутантами, у которых изменение одногогена привело к преобразованию формы клетки из палочковидной (слева) в Т-образную (справа). Следовательно,мутантный ген контролирует форму клетки. Но как именнона уровне молекул продукт этого гена выполняет такую функцию? Это более чем сложный вопрос, и для ответа на негонеобходим биохимический анализ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
