Том 1 (1129743), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Предположим, например, что в генеалогической линии, ведущейк Fugu, скорость приобретения ДНК сильно замедлилась. За длительные периоды времени это могло привести к общему «вычищению» из генома этой рыбы техпоследовательностей ДНК, потерю которых можно было допустить. В прошломпроцесс очищающего отбора в линии родословной Fugu rubripes оставил те последовательности ДНК позвоночных, которые, наиболее вероятно, были функциональноактивными – всего 400 миллионов пар нуклеотидов ДНК, – очертив тем самымосновную область интереса для ученых.4.5.6. Мы способны реставрировать последовательности некоторых древних геномовГеномы предковых организмов могут быть выведены абстрактно, но их никогда не удастся наблюдать своими глазами: никаких древних организмов сегодняуже нет. Хотя современный организм типа мечехвоста выглядит поразительноподобным окаменелым предкам, которые жили 200 миллионов лет назад, есть всеоснования полагать, что геном мечехвоста изменялся в течение всего того временисо скоростью, подобной наблюдаемой в других эволюционных линиях.
Ограничения естественного отбора, должно быть, сохраняли ключевые функциональныесвойства генома мечехвоста, чтобы отвечать морфологической устойчивости этоговида. Однако последовательности геномов показывают, что доля генома, сохраняемая очищающим отбором, невелика; следовательно, геном современного мечехвостадолжен сильно отличаться от генома его вымерших предков, известных нам толькопо окаменелостям.Есть ли какой-либо путь, позволяющий обойти эту проблему? Можем ли мыкогда-либо надеяться расшифровать большие отрезки последовательности геномавымерших предков тех организмов, что живут сегодня? Для организмов, которыесостоят в столь же близком родстве, сколь человек и шимпанзе, как мы убедились,это сделать нетрудно.
В том случае, если мы хотим разобраться, какое из немногихразличий между последовательностями ДНК человека и шимпанзе было унаследовано от нашего общего предка около 6 миллионов лет назад, можно использоватьссылку на последовательность ДНК гориллы (см. рис. 4.76). Чтобы восстановитьпоследовательность ДНК предка, который стал родоначальником большого числаразличных организмов, живущих сегодня, нужно сравнить одновременно последовательности ДНК многих видов – так ученые могут реставрировать последовательности ДНК, которые существовали много лет тому назад. Например, по полнымпоследовательностям генома 20-ти современных млекопитающих, которые будутвскоре получены, ученые должны расшифровать бóльшую часть последовательности генома жившего 100 миллионов лет назад млекопитающего бореоэутерии,которое дало начало таким разным видам, как собака, мышь, кролик, броненосец420Часть 2.
Основные генетические механизмыРис. 4.83. Обнаружение многовидовых консервативных последовательностей. В данном примере последовательности геномов всех представленных организмов сравнивали, блоками по 25 нуклеотидов, собозначенной областью и гена GFTR человека. Доля идентичности по синтенным последовательностямдля каждого организма отмечена зеленым. Вдобавок к этому, для обнаружения в пределах этой областинаиболее высококонсервативных последовательностей среди последовательностей всех рассматриваемых организмов, был применен вычислительный алгоритм.
Помимо экзона, показаны три других блокамноговидовых консервативных последовательностей. Функции большинства таких последовательностейв геноме человека неизвестны. (Иллюстрацию любезно предоставил Eric D. Green.)и человек (см. рис. 4.77). (Интересно, что в настоящее время удалось частичнопрочитать несколько геномов ископаемых организмов — неандертальца, мамонта,пещерного медведя. — Прим.ред.)4.5.7. Сравнение последовательностей ДНК многих видов позволяет выявлять важные последовательности с неизвестной функциейОгромное количество последовательностей ДНК, имеющееся в современныхбазах данных (более ста миллиардов пар нуклеотидов), представляет богатые залежи,которые ученые могут «разрабатывать», задаваясь самыми разными целями. Мыуже обсудили, как эта информация может быть использована для восстановленияэволюционных путей, которые привели к современным организмам.
Но сравненияГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 421Рис. 4.84. Первичная характеристика нового гена, обнаруженного как изначально консервативная последовательность ДНК, которая быстро эволюционировала у людей. а) Выполненный Рамон-и-Кахалемрисунок внешней поверхности новой коры (неокортекс — прим.ред.) головного мозга человека с вырисованными на желтом фоне нейронами Кахаля – Ретциуса.
б) Срезы ткани мозга эмбриона человека,показывающие часть коры; область, содержащая нейроны Кахаля – Ретциуса, выделена желтым. Верхняяфотография: краситель крезиловый фиолетовый. Нижняя фотография: гибридизация in situ. Красныестрелки показывают на клетки, которые вырабатывают РНК HAR1F, как обнаружено гибридизацией insitu (окрашены синим). HAR1F — новая некодирующая РНК, которая быстро эволюционировала в линиичеловека, исходящей от человекообразных обезьян.
Нейроны Кахаля – Ретциуса вырабатывают эту РНКво время развития новой коры головного мозга. Результаты интригуют, потому что именно человекусвойственна большая новая кора головного мозга; поведение клеток при формировании этой корыпредставлено на рис. 22.99. (Переработано из K. S. Pollard et al., Nature 443: 167–172, 2006. С любезногоразрешения Macmillan Publishers Ltd.)последовательностей также дают много ответов на вопросы о функционированииклеток и организмов. Возможно, самым замечательным открытием в этой областистало следующее: хотя лишь около 1,5 % генома человека кодирует белки, приблизительно в три раза большее количество (в общей сложности 5 % генома — см.
таблицу4.1, стр. 206) оказалось высококонсервативным в ходе эволюции млекопитающих.Эта масса консервативной последовательности наиболее ясно проявляется, когдамы выравниваем и сравниваем синтенные блоки ДНК многих различных видов.Таким способом могут быть легко идентифицированы так называемые многовидовыеконсервативные последовательности (multispecies conserved sequences) (рис. 4.83).В большинстве своем некодирующие консервативные последовательности, обнару-422Часть 2. Основные генетические механизмыженные этим способом, оказались относительно короткими, содержащими от 50до 200 пар нуклеотидов. Строгая консервативность подразумевает, что они имеютважные функции, которые сохранялись очищающим отбором.
Остается разгадатьтайну этих функций. Часть консервативной последовательности, которая не кодирует белки, кодирует нетранслируемые молекулы РНК, которые, как известно,имеют важные функции, в чем мы убедимся в последующих главах. Другая долянекодирующей консервативной ДНК явно участвует в регулировании транскрипциисмежных с нею генов, как будет показано в главе 7.
Но мы еще не знаем, сколькоконсервативной ДНК может быть объяснено подобным образом, и львиная ее долявсе еще лежит под покровом тайны. Разгадка этой тайны должна иметь глубокиепоследствия для медицины, и это показывает, как много нам еще предстоит узнатьо биологии позвоночных.Как молекулярным биологам взяться за такую проблему? Первый шаг — провести различие между консервативными областями, которые кодируют белок, и теми,которые его не кодируют, и затем, в числе последних — сосредоточиться на тех,которые еще не имеют какой-либо установленной функции, например, такой каккодирование молекул структурной РНК. Следующая задача состоит в том, чтобыобнаружить, молекулы каких белков или РНК связываются с этими таинственнымипоследовательностями ДНК, как они упаковываются в хроматин и служат ли оникогда-либо матрицами для синтеза РНК. В основном эта задача все еще находитсяза пределами наших возможностей, но главное —начало положено и сделаны некоторые замечательные подвижки.
Одно из наиболее захватывающих открытийкасается эволюционных изменений, которые сделали нас, людей, не похожими навсех остальных, — изменений, говорим мы, в последовательностях, которые оставались консервативными у наших близких родственников, но претерпели внезапнорезкое изменение на эволюционном пути человека.4.5.8. Ускоренные изменения в ранее консервативных последовательностях могут помочь разгадать основополагающие этапыэволюции человекаКак только в распоряжении ученых появились последовательности геномовсразу и человека, и шимпанзе, они стали искать изменения в последовательностиДНК, которые могли бы объяснить поразительные различия между нами и обезьяньей братией. При 3 миллиардах пар нуклеотидов, которые необходимо сравнитьу обоих видов, это могло казаться непосильной задачей.
Но работа была намногооблегчена за счет ограничения поиска 35 000 точно определенных многовидовыхконсервативных последовательностей (в целом около 5 миллионов пар нуклеотидов), представляющих части генома, которые с наибольшей вероятностью важныс точки зрения функций. Хотя эти последовательности высококонсервативны, онине остаются абсолютно неизменными, и, когда вариант от одного вида сравнивается с вариантом от другого, обычно оказывается, что они разошлись в небольшойстепени, напрямую соответствующей времени, прошедшему с момента жизни последнего общего предка. Однако в малой доле случаев можно заметить признакивнезапного эволюционного всплеска.
Например, было обнаружено, что некоторыепоследовательности ДНК, которые были высококонсервативны у других видовмлекопитающих, изменялись исключительно быстро в течение шести миллионовлет эволюции человека – после того как мы отклонились от шимпанзе.
Такие уско-Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 423Рис. 4.85. Филогенетическое дерево, построенное на основе гипотетических белковых последовательностей всех ядерных рецепторов гормонов, кодируемых в геномах человека (H. sapiens), червянематоды (C. elegans) и плодовой мушки (D. melanogaster). Треугольники представляют подсемействабелков, которые распространились в пределах отдельных эволюционных линий; ширина этих треугольников показывает число генов, кодирующих членов этих подсемейств. Цветные вертикальные полоскипредставляют одиночный ген. Не существует простой схемы истории дупликаций и дивергенций, которые привели к созданию семейств генов, кодирующих ядерные рецепторы в этих трех современныхорганизмах.
Семейство ядерных рецепторов гормонов описано на рис. 15.14. Эти белки участвуют впередаче сигналов в клетках и в регулировании генов. (Переработано из International Human GenomeConsortium, Nature 409: 860–921, 2001. С любезного разрешения Macmillan Publishers Ltd.)ренно изменяющиеся у человека области (human accelerated region – HAR), какдумают, отражают функции, которые были особенно важны для формированиянаших полезных отличий.В одном таком исследовании было идентифицировано приблизительно 50таких участков, одна четверть из которых обнаружена вблизи генов, связанныхс развитием нервной системы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
