Том 1 (1129743), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Как будет обсуждено позже в этой главе, такие эпизоды особенноинтересны, потому что они, как думают, отражают периоды интенсивного положительного отбора мутаций, которые дали им преимущество при отборе в определеннойпоследовательности поколений, где такое быстрое изменение произошло.Молекулярные часы бегут со скоростями, которые определяются и частотоймутаций, и степенью очищающего отбора определенных последовательностей. Поэтому совершенно разная калибровка требуется для тех генов, что реплицируются ивосстанавливаются различными системами в клетках.
Что наиболее примечательно,у животных, к растениям это не относится, часы, основанные на функциональнонеограниченных последовательностях митохондриальной ДНК, бегут намногобыстрее, чем часы, основанные на функционально неограниченных ядерных последовательностях; очевидно, это связано с необычайно высокой частотой мутацийв митохондриях животных.Молекулярные часы имеют более точное разрешение по времени, чем летописьокаменелостей, и служат более надежным руководством для воссоздания подробной структуры филогенетических деревьев, чем классические методы построениядеревьев, которые опираются на данные сравнительного анализа морфологии иразвития разных видов. Например, точная связь между линиями человекообразныхобезьян и человека не была окончательно установлена, пока в 1980-е гг.
не былособрано достаточное количество данных о молекулярных последовательностях, наосновании которых было построено дерево, представленное на рис. 4.75. А присравнении с огромными количеством последовательностей ДНК самых разныхмлекопитающих, определенных к настоящему времени, удается получить намногоболее точные оценки наших с ними связей (рис. 4.77).416Часть 2. Основные генетические механизмыРис. 4.79. Сравнение синтенической части геномов мыши и человека.
Около 90 процентов этих двухгеномов может быть выровнено таким способом. Обратите внимание, что, несмотря на идентичныйпорядок сопоставляемых индексных последовательностей (красные метки), в линии родословноймыши есть общие потери ДНК, которые рассеяны по всей области. Такого типа общие потери типичныдля всех таких областей, и ими же объясняется тот факт, что геном мыши содержит на 14 процентовменьше ДНК, чем геном человека. (Переработано из Mouse Sequencing Consortium, Nature 420: 520–573,2002.
С любезного разрешения Macmillan Publishers Ltd.)4.5.4. Сравнение хромосом человека и мыши показывает, какимобразом расходятся структуры геномовКак можно было ожидать, геномы человека и шимпанзе намного более похожи,чем геномы мыши и человека. Хотя размер геномов человека и мыши примерноодинаков и они содержат почти идентичные наборы генов, прошел более длительный период времени, за который могли накопиться изменения, — приблизительно80 миллионов лет против 6 миллионов лет. Вдобавок к этому, как показано нарис.
4.77, линии родословной грызунов (представленные крысой и мышью) имеютнеобычайно быстрые молекулярные часы. Следовательно, эти генеалогические линии отошли от линии родословной человека быстрее, чем можно было бы ожидать,Рис. 4.80. Сравнение группы генов β-глобина в геномах человека и мыши с отмеченным местоположением подвижных генетических элементов. Этот отрезок генома человека содержит пять функциональных генов, подобных генам β-глобина (оранжевый); сопоставимая область из генома мыши имееттолько четыре. Позиции последовательностей Alu человека обозначены зелеными кружками, а последовательностей L1 человека — красными кружками.
Геном мыши содержит отличающиеся, но схожиеподвижные генетические элементы: позиции элементов B1 (которые родственны последовательностямиAlu человека) обозначены синими треугольниками, а позиции элементов L1 мыши (которые родственныпоследовательностям L1 человека) обозначены оранжевыми треугольниками. Отсутствие подвижныхгенетических элементов в структурных генах глобина может быть отнесено на счет очищающего отбора, который устранял всякую вставку, которая ставила бы под угрозу функцию гена. (Схему любезнопредоставили Ross Hardinson и Webb Miller.)Глава 4.
ДНК, хромосомы и геномы 417Рис. 4.81. Северная рыба-собака Fugu rubripes. (Снимок любезно предоставил Byrappa Venkatesh.)руководствуясь иными сведениями.Как видно из сравнения последовательностейДНК на рис. 4.78, мутация привела к значительному расхождению последовательностей междучеловеком и мышью во всех участках, которые неподпадают под юрисдикцию отбора, таких как большинство последовательностейнуклеотидов в интронах. Напротив, в сравнениях человек – шимпанзе почти всепозиции последовательностей одинаковы попросту потому, что со времени жизнипоследнего общего предка прошло не так много времени для того, чтобы большоечисло изменений успело произойти.В отличие от ситуации с человеком и шимпанзе, локальный порядок генови общая организация хромосомы существенно различаются у человека и мыши.Согласно приближенным оценкам, в линиях человека и мыши произошло общимчислом около 180 событий разрыва и воссоединения, с тех пор как эти два видапоследний раз имели общего предка.
В результате этого процесса, хотя у этих двухвидов различия в числе хромосом остались небольшими (23 в гаплоидном геномечеловека и 20 — у мыши), их общие структуры сильно отличаются. Тем не менеедаже после интенсивной перетасовки генома остается много крупных блоков ДНК,в которых порядок генов одинаков у человека и у мыши. Такие отрезки сохранившегося порядка генов в хромосомах упоминаются как области синтении.Рис. 4.82. Сравнение геномных последовательностей генов человека и Fugu rubripes, кодирующихбелок гентингтин.
Оба гена (обозначены красным) содержат по 67 коротких экзонов, которые выравниваются друг с другом в соответствии 1:1; эти экзоны соединены изогнутыми линиями. Ген человекав 7,5 раз крупнее, чем ген Fugu rubripes (180 000 против 27 000 пар нуклеотидов). Разница в размерахобусловлена всецело более крупными интронами в гене человека. Больший размер интронов человекасвязан отчасти с присутствием ретротранспозонов, позиции которых отмечены зелеными вертикальными линиями; в интронах Fugu rubripes ретротранспозонов нет.
У человека мутация гена гентингтинавызывает заболевание хореей Гентингтона — наследственным расстройством, связанным с поражениемклеток мозга. (Переработано из S. Baxendale et al., Nat. Genet. 10: 67–76, 1995. С любезного разрешенияиздательства Macmillan Publishers Ltd.)418Часть 2. Основные генетические механизмыНеожиданный вывод из подробного сравнения полных последовательностейгеномов мыши и человека, подтвержденный результатами последующих сравнениймежду геномами других позвоночных животных, состоит в том, что маленькие блоки последовательностей удаляются из геномов и добавляются в них удивительнобыстрыми темпами. Так, если мы допускаем, что наш общий предок имел геномразмером с геном человека (около 3 миллиардов пар нуклеотидов), то мышь должнабыла потерять в общей сумме приблизительно 45 процентов того генома в результатенакопленных удалений за последние 80 миллионов лет, тогда как человек потерялоколо 25 процентов.
Однако существенный вклад, который внесли приобретенныепоследовательности – за счет многих маленьких дупликаций хромосом и умножениятранспозонов, – компенсировали эти удаления. В результате размер нашего геномане изменился относительно размера генома последнего общего предка человека имыши, тогда как геном мыши уменьшился всего на 0,3 миллиарда нуклеотидов.Хорошие данные о потере последовательностей ДНК маленькими блоками входе эволюции можно получить по итогам подробного сравнения большинства областей синтении в геномах мыши и человека.
Сравнительное сжатие генома мышиможет быть ясно прослежено по результатам таких сравнений, с общей потерейрассеянных по длинным отрезкам ДНК последовательностей, которые в ином случаеявляются гомологичными (рис. 4.79).ДНК добавляется к геномам как путем спонтанной дупликации сегментовхромосом, которые содержат десятки тысяч пар нуклеотидов (что будет описановскоре), так и посредством активной транспозиции (большинство событий транспозиции имеет характер дупликации, потому что исходная копия транспозонаостается там, где она была, когда копия встраивается в новый участок; например,см. рис. 5.74). Поэтому сравнение последовательностей ДНК, происходящих оттранспозонов, у человека и мыши легко показывает некоторые добавленные в геномпоследовательности (рис.
4.80).По неизвестным причинам все млекопитающие имеют геномы размером около3 миллиардов пар нуклеотидов, которые содержат почти идентичные наборы генов, даже при том что только порядка 150 миллионов пар нуклеотидов, кажется,находятся под специфичными для последовательности функциональными ограничениями.4.5.5. Размер генома позвоночного отражает относительные скорости приобретения и потери ДНК в последовательности поколенийТеперь, когда мы знаем полную последовательность ряда геномов позвоночных,мы видим, что размер генома может изменяться в широких пределах, очевидно,без резкого эффекта на организм или число его генов. Таким образом, тогда какгеномы мыши и собаки попадают в типичные для млекопитающих размерные рамки,курица имеет геном, который составляет лишь около трети генома человека (одинмиллиард пар нуклеотидов).
В особенности примечательный пример организма сгеномом аномального размера — северная рыба-собака Fugu rubripes (рис. 4.81),которая имеет крошечный для позвоночного геном (0,4 миллиарда пар нуклеотидовв сравнении с 1 миллиардом и более у многих других рыб). Небольшой размергенома Fugu rubripes обусловлен главным образом небольшим размером его интронов.
А именно: интроны, равно как и другие некодирующие сегменты генома Fugurubripes, не содержат ДНК-повторов, которые составляют большую долю геномовГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 419наиболее хорошо изученных позвоночных животных. Тем не менее позиции интронов Fugu rubripes почти в совершенстве сохранились неизменными относительносоответствующих позиций в геномах млекопитающих (рис. 4.82).Хотя вначале это и было необъяснимой загадкой, теперь мы имеем простоеобъяснение столь сильных различий в размере геномов между взаимно подобными организмами: поскольку все позвоночные испытывают непрерывный процесспотери ДНК и приобретения ДНК, размер генома попросту зависит от равновесия между этими противоположными процессами, действующими на протяжениимиллионов лет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
