Том 1 (1129743), страница 89
Текст из файла (страница 89)
Последовательность, подвергнувшаяся наиболеебыстрому изменению (18 изменений между человеком и шимпанзе, по сравнениютолько с двумя изменениями между шимпанзе и курицей), была подвергнутадальнейшему изучению и, как установлено, кодирует молекулу 118-нуклеотиднойнекодирующей РНК, которая вырабатывается в коре головного мозга человека врешающий момент – во время развития этого органа (рис.
4.84). Хотя функцияэтой РНК, HAR1F, еще не установлена, это волнительное открытие вдохновляетна дальнейшие исследования, которые, будем надеяться, прольют свет на отличительные особенности мозга человека.4.5.9. Дупликация генов — важнейший источник генетической новизны в ходе эволюцииЭволюция зависит от создания новых генов, а также от модификации ужесуществующих. Как это происходит? Когда мы сравниваем организмы, которыесильно отличаются по внешнему виду, — например, примата с грызуном или мышьс рыбой, — мы редко встречаем такие гены у одного вида, которые не имели быгомологов у другого.
Гены, не имеющие гомологичных аналогов, относительномалочисленны, даже когда мы сравниваем столь далеко разошедшиеся организмы,как млекопитающее и червь. С другой стороны, мы часто находим семейства генов,в которые у разных видов входит различное число членов.
Чтобы создать такиесемейства, гены неоднократно дуплицировались, и после этого копии эволюционноразошлись и приобрели новые функции, которые зачастую изменяются от одноговида к другому.424Часть 2. Основные генетические механизмыЗдесь показаны гены, кодирующие ядерные рецепторы гормонов у человека,червя нематоды и плодовой мушки (рис. 4.85). Многие из подтипов таких ядерныхрецепторов (называемых также внутриклеточными рецепторами) имеют близкихгомологов у всех трех организмов, которые более подобны друг другу, чем другимвходящим в семейство подтипам рецепторов, имеющихся у тех же видов.
Поэтомубольшая часть функционального расхождения этого большого семейства генов,должно быть, предшествовала расхождению этих трех эволюционных линий.Впоследствии одна главная ветвь этого семейства генов подверглась обширномураспространению только в линии червя. Подобные, но меньшего масштаба специфические для своих генеалогических линий распространения определенных подтиповзаметны по всему эволюционному дереву семейства генов.Дупликация генов происходит с высокой скоростью во всех эволюционныхлиниях, внося свой вклад в энергичный процесс приумножения ДНК, которыймы обсуждали ранее. При доскональном изучении событий самопроизвольногодублирования у дрожжей обычно наблюдали дупликацию от 50 000 до 250 000пар нуклеотидов, большинство которых повторялось тандемно.
Они оказалисьрезультатом ошибок репликации ДНК, которые привели к неточному восстановлению участков двунитевых разрывов хромосом. Сравнение геномов человека ишимпанзе показывает, что, с того времени, когда эти два организма разошлись,сегментные дупликации добавляли около 5 миллионов пар нуклеотидов к каждомуиз геномов каждый миллион лет, при этом средний размер дупликации был около50 000 пар нуклеотидов (однако, есть и в пять раз более крупные дупликации —как у дрожжей).
Фактически, если вести счет нуклеотидам, события дупликациисоздали больше различий между нашими двумя видами, чем замены отдельныхнуклеотидов.4.5.10. Дуплицированные гены дивергируютОсновной вопрос в области эволюции генома касается судьбы недавно дуплицированных генов.
В большинстве случаев предполагается, что на них воздействуетнезначительный или вообще нулевой отбор — по крайней мере первоначально, —чтобы поддерживать дуплицированное состояние; это связано с тем, что обе копииспособны осуществлять одинаковые функции. Следовательно, многие событиядупликации, по всей вероятности, сопровождались мутациями с потерей функциив одном или другом гене соответствующей пары.
Такой цикл функционально восстановил бы состояние с одним геном, которое предшествовало дупликации. И всамом деле, известно много примеров в современных геномах, где можно видеть,что одна из копий дуплицированного гена стала безвозвратно инактивированной врезультате многократных мутаций. Через какое-то время подобие последовательностей между таким псевдогеном и функционально активным геном, дублированиекоторого и произвело этот псевдоген, как можно ожидать, будет размываться засчет накопления большого числа мутаций в псевдогене — и их гомологическуюсвязь в конечном счете будет невозможно определить.Альтернативная судьба дупликаций генов — когда обе копии остаются функционально активными, но при этом расходятся (дивергируют) в отношении своихпоследовательностей и профилей экспрессии и, таким образом, начинают игратьразличные роли.
Такой процесс «дублирования и расхождения», или дупликациии дивергенции, почти наверняка объясняет присутствие в биологически сложныхорганизмах крупных семейств генов со схожими функциями и, как думают, играетГлава 4. ДНК, хромосомы и геномы 425Рис. 4.86. Сравнение структур одноцепочечных и четырехцепочечныхглобинов. Показанный четырехцепочечный глобин — гемоглобин, которыйпредставляет собой комплекс двух цепей α-глобина и двух цепей β-глобина.Одноцепочечный глобин, свойственный некоторым примитивным позвоночным, образует димер, который диссоциирует, когда связывает кислород,и представляет собой промежуточноезвено в эволюции четырехцепочечногоглобина.определяющую роль в эволюции возрастающей биологической сложности.
Просмотрмногих различных геномов эукариот показывает, что вероятность того, что любой отдельновзятый ген подвергнется событию дупликации, которое распространится на большинствоособей вида или даже на весьвид, равна приблизительно 1 %на миллион лет.Дупликация полных геномов демонстрирует особенно впечатляющие примерыцикла дупликации-расхождения. Дупликация целого генома может произойти весьмапросто: все, что для этого требуется, — один круг репликации генома в зародышевойлинии клеток без соответствующего деления клеток.
Первоначально число хромосом просто удваивается. Такие резкие увеличения плоидности организма обычны,в особенности у грибов и растений. После дупликации целого генома все гены существуют в виде удвоенных копий. Однако если событие дупликации произошлостоль давно, что прошло достаточно много времени для последующих изменений вструктуре генома, то результаты ряда сегментных дупликаций, — происходящихв различные моменты времени — очень трудно отличить от конечного продуктадупликации полного генома. У млекопитающих, например, роль дупликации целогогенома, в отличие от ряда происходящих по частям дупликаций сегментов ДНК,совершенно непонятна.
Тем не менее совершенно ясно, что в далеком прошломимело место большое число дупликации генов.Анализ генома полосатого данио, в геноме которого либо случилась дупликацияцелого генома, либо произошел ряд более локальных дупликаций сотни миллионовлет назад, пролил немного света на процесс дупликации и расхождения генов. Хотямногие дубликаты генов полосатого данио, кажется, потеряны по причине мутаций,существенная доля — возможно, не менее 30–50 % — отклонилась функционально,при том что обе копии остались активными.
Во многих случаях наиболее очевидноефункциональное различие между дублированными генами состоит в том, что ониэкспрессируются в разных тканях или на разных стадиях развития (см. рис. 22.46).426Часть 2. Основные генетические механизмыРис.
4.87. Схема эволюции цепей глобина, переносящих кислород в крови животных. Схема сосредоточена на семействе генов β-подобного глобина.Относительно недавняя дупликация гена γ-цепипроизвело γG и γA, которые являются свойственными плоду β-подобными цепями с тождественнойфункцией. Местоположение генов глобина в геноме человека показано в верхней части рисунка (см.также рис. 7.64).Одна привлекательная теория, призванная объяснить такой конечный результат,основана на представлении о том, что вобеих копиях набора дублированных генов быстро происходят разные умереннопагубные мутации. Например, одна копия может потерять экспрессию в определенной ткани в результате регуляторноймутации, в то время как другая копиятеряет экспрессию во второй ткани.
После такого стечения обстоятельств обе копиигена должны будут обеспечивать полный набор функций, которые выполнялисьв свое время одним-единственным геном; следовательно, обе копии будут теперьзащищены от потери из-за инактивирующих мутаций. За более длительный периодкаждая из копий может впоследствии подвергнуться дальнейшим изменениям, посредством которых приобретет новые, специализированные свойства.4.5.11. Эволюция семейства генов глобина показывает, какой вкладдупликация ДНК вносит в эволюцию организмовСемейство генов глобина представляет особенно хороший пример того, какдупликация ДНК производит на свет новые белки, потому что история его эволюции была восстановлена с особенной тщательностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
