Том 1 (1129743), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Эта маленькая нематода, около 1 мм в длину, живет в почве. Большинство индивидов — гермафродиты, производящие и яйцеклетки, и сперматозоиды. Приведенноездесь изображение получено с использованием оптического метода интерференционного контраста,благодаря чему яркими цветами четко вырисованы границы тканей животного; при обычном освещенииживотное не окрашено. (Любезность Ian Hope.)доказательство того, что гены — абстрактные единицы наследственной информации — содержатся в хромосомах, конкретных физических объектах, поведениекоторых точно прослеживалось в эукариотической клетке с помощью световогомикроскопа, хотя функция их сначала была неизвестна.
Доказательство получилиблагодаря одной из многих особенностей, которые делают дрозофилу особенно удобным объектом для генетики: в некоторых ее клетках видны гигантские хромосомыс характерными полосами (рис. 1.49). Определенные изменения в наследственнойинформации проявляются в семействах мутантных мух, благодаря чему удалосьточно установить корреляцию каждой мутациии с потерей или изменением определенных полос хромосомы-гиганта.Позже на дрозофиле, больше чем на любом другом организме, было показано,как можно проследить причинно-следственную цепь, ведущую от генетическихинструкций, закодированных в хромосомной ДНК, к структуре взрослого многоклеточного организма. Мутанты дрозофилы с расположенными необычным образомчастями тела или с неверным рисунком дали ключ для идентификации и характеристики генов, необходимых для создания должным образом структурированного тела:с кишечником, конечностями, глазами и всеми другими частями, расставленнымипо надлежащим им местам.
Как только нуклеотидные последовательности этих геновдрозофилы были определены, появилась возможность провести поиск их гомологовв геномах позвоночных животных. Такие гомологи были найдены, а их функцииу позвоночных проверены в ходе анализа мышей, у которых эти гены были видоизменены. Результаты, как мы увидим позднее, показывают удивительную степеньподобия молекулярных механизмов развития насекомого и позвоночного.Большинство всех известных человеку видов живых организмов представленонасекомыми. Так что, даже если бы дрозофила не имела ничего общего с позвоноч-88Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 1.48. Drosophila melanogaster. Проведенные на этой мухе исследования дали главный ключ к пониманию того, как все животные развиваются из оплодотворенной яйцеклетки во взрослую особь.(Из E. B. Lewis, Sciense 221: cover, 1983. С разрешения издательства AAAS.)ными животными, а только с насекомыми, она все равно оставалась бы важнейшиммодельным организмом.
Но если целью является изучение молекулярной генетикипозвоночных животных, то почему не заняться этой проблемой прямо? Почемук ней подбираются косвенно, через исследования дрозофилы?Для развития дрозофилы из оплодотворенного яйца во взрослое насекомое требуетсявсего лишь 9 дней; размножать ее значительнолегче и дешевле, чем любое позвоночное живот-Рис. 1.49. Гигантские хромосомы из клеток слюнных желездрозофилы.
Поскольку много раундов репликации ДНК прошло без промежуточного деления клетки, каждая из хромосом в этих необычных клетках содержит более 1 000 идентичных молекул ДНК, выстроенных в цепочку. Благодаря этомув световом микроскопе видна характерная для хромосоми воспроизводимая картина полос. Определенные полосымогут быть идентифицированы как местоположения определенных генов: мутантная муха с пропущенной областьюв картине полос дает представление о фенотипе, обусловленном потерей генов в этой области. Гены, которые транскрибируются с высокой скоростью, соответствуют полосам,которые выглядят «одутловатыми». Полосы, окрашенные намикрофотографии темно-коричневым цветом, представляютсобой участки, где с ДНК связан специфический регуляторныйбелок.
(Любезность B. Zink и R. Paro, из R. Paro, Trends Genet. 6:416–421, 1990. С разрешения издательства Elsevier.)Глава 1. Клетки и геномы 89ное, а также ее геном намного меньше — около 170 миллионов пар нуклеотидовпо сравнению с 3 200 миллионами у человека. Ее геном кодирует приблизительно14 000 белков, и теперь мутанты могут быть получены, по существу, для любогогена. Но есть также и другая, более глубокая причина, по которой генетическиемеханизмы, которые трудно обнаружить у позвоночного животного, часто легковыказываются у мухи.
И эта причина кроется, как мы теперь объясняем, в частоте дублирования генов, которая в геномах позвоночных существенно выше, чемв геноме мухи, и, вероятно, была решающим фактором сложного и хитроумногоустроения позвоночных.1.3.14. Геном позвоночных представляет собой продукт повторнойдупликацииПочти у каждого гена в геноме позвоночного есть паралоги — другие геныв том же самом геноме, которые, несомненно, родственны и, должно быть, возникли в результате дупликации генов. Во многих случаях целый кластер геновоказывается близкородственным таким же кластерам, присутствующим в какомлибо другом месте генома, что наводит на мысль о том, что гены дуплицировалисьне в индивидуальном виде, а связными группами.
Согласно одной гипотезе, на раннем этапе эволюции позвоночных полный геном подвергся двум последовательнымдупликациям, что положило начало четырем копиям каждого гена. В некоторыхгруппах позвоночных, таких как рыбы семейств лососевых и карповых (в томчисле полосатый данио — популярный объект исследований), как предполагаютученые, произошла еще одна дупликация, результатом чего стала восьмикратнаяпредставленность генов.Точный путь эволюции генома позвоночных остается неизвестным, потому чтосо времени этих стародавних событий произошло много эволюционных изменений.Гены, которые когда-то были идентичными, разошлись; множество копий этих геновбыло потеряно из-за разрушающих мутаций; некоторые подверглись последующимраундам локальной дупликации; и геном в каждой ветви генеалогического древапозвоночных претерпевал повторные перестройки, почти полностью нарушавшиеизначальный порядок генов.
Сравнение порядка генов двух эволюционно родственных организмов, таких как человек и мышь, показывает, что часто — во временнóммасштабе эволюции позвоночных — хромосомы сливаются и фрагментируются,в результате чего происходит неоднократное перемещение больших блоков последовательности ДНК. Действительно, вполне возможно, как мы покажем в главе 7,что существующее состояние дел — это результат многих отдельных дупликацийфрагментов генома, а не генома целиком.Однако не вызывает сомнений и тот факт, что дупликация целого генома, насамом деле, время от времени происходит в ходе эволюции, и за такими примерами далеко ходить не надо, так как дублированные наборы хромосом все еще явноопознаются в качестве таковых.
Род лягушек Xenopus, например, включает наборблизкородственных видов, связанных друг с другом через повторные дупликацииили трипликации целого генома. Среди этих лягушек мы можем видеть X. tropicalis с обычным диплоидным геномом; завсегдатая исследовательских лабораторийX. laevis с дублированным геномом и удвоенным количеством ДНК на клетку;и X. ruwenzoriensis с шестикратным дублированием исходного генома и в шестьраз увеличенным количеством ДНК в клетке (108 хромосом по сравнению, напри-90Часть 1.
Введение в мир клеткимер, с 36 у X. laevis). Эти виды, согласно оценкам специалистов, разошлись около120 миллионов лет назад (рис. 1.50).1.3.15. Генетическая избыточность создает лишние проблемыгенетикам, но зато дает дополнительные возможностиэволюционирующим организмамКакие бы события ни происходили в эволюционной истории, ясно, что большинство генов в геноме позвоночных существует в нескольких вариантах, когда-тоидентичных.
Родственные гены зачастую остаются функционально взаимозаменяемыми. Это явление называют генетической избыточностью. Для ученого, изо всехсил пытающегося обнаружить все гены, участвующие в том или ином процессе,она усложняет задачу. Если ген А мутировал и никакого эффекта не наблюдается,то из этого нельзя заключать, что ген А в функциональном отношении не связанс данным эффектом — просто может оказаться, что этот ген обычно работаетпараллельно со своими родственниками и их усилий достаточно для практическинормального выполнения функции, даже когда ген А дефектен. В геноме дрозофилы, где дублирование генов происходит реже и повторов в геноме меньше, анализзначительно упрощен: функции отдельных генов проявляются напрямую — по последствиям от мутаций единичных генов (одномоторный самолет падает, когда егодвигатель ломается).Дублирование генома определенно привело к развитию более сложных формжизни; оно, подобно рогу изобилия, обеспечивает организмы запасными копиямигенов, которые могут свободно мутировать и выполнять все более разнящиеся задачи.
Пока одна копия оптимизируется, скажем, для использования в печени, другая может оптимизироваться для использованияв мозге или приспосабливаться к выполнениюновой задачи. Вот почему дополнительные геныусиливают сложность и замысловатость геномав целом. По мере того как гены все больше расходятся в функциональном отношении, они перестают быть избыточными. Часто, однако, бываеттак, что, несмотря на исполние уже индивидуальных партий, гены продолжают участвоватьтакже и в некоторых эпизодах, выполняя ранееприсущую им роль в массовке, то есть участвоватьРис.
1.50. Два вида лягушки рода Xenopus. X. tropicalis, представленный сверху, имеет обычный диплоидный геном; X.laevis, помещенный ниже, имеет вдвое большее количествоДНК на клетку. По картинам распределения полос их хромосом и расположению генов на них, а также на основании сравнения последовательностей генов ясно, что вид с бóльшимгеномом эволюционировал за счет дупликации целого генома.Эти дупликации, как полагают, произошли в результате спаривания между лягушками слегка разошедшихся видов Xenopus.(Любезность E. Amaya, М. Offield и R. Grainger, Trends Genet. 14:253–255, 1998.
С разрешения издательства Elsevier.)Глава 1. Клетки и геномы 91избыточно. В таком случае мутация единственного гена вызывает относительнонебольшое нарушение, которое показывает, что дает информацию лишь об однойиз функций этого гена (рис. 1.51). Семейства генов с разошедшимися, но частичнонакладывающимися функциями — распространенная особенность молекулярной биологии позвоночных, и с ними мы будем неоднократно встречаться в этой книге.1.3.16. Мышь как модель млекопитающихПо сравнению с дрозофилой у млекопитающих обычно в три или четыре разабольше генов, геном больше в 20 раз, а в телах их взрослых особей в миллионыили даже в миллиарды раз больше клеток. В отношении размера и функции генома, биологии клетки и молекулярных механизмов млекопитающие, тем не менее,чрезвычайно однородная группа организмов. Даже в анатомическом плане различиямежду млекопитающими, в основном, касаются размера и пропорций; трудно представить какую-либо часть тела человека, которая не имела бы своего аналога у слонаи мыши, и наоборот.
Эволюция свободно играет с количественными признаками,но не так легко изменяет закономерности, лежащие в основе строения.Рис. 1.51. Дупликация гена как инструмент мутационного анализа для выяснения функций генов.В этом гипотетическом примере предковый многоклеточный организм имеет геном, содержащий единственную копию гена G, который выполняет свою функцию на нескольких участках тела, обозначенныхзеленым. а) За счет дупликации гена современный потомок предкового организма имеет две копиигена G, названные G1 и G2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
