Том 1 (1129743), страница 90
Текст из файла (страница 90)
Несомненные подобия ваминокислотной последовательности и структуре, наблюдаемые среди современныхглобинов, указывают на то, что все они должны происходить от общего предковогогена, даже при том, что теперь некоторые из них кодируются далеко разнесеннымигенами в геноме млекопитающих.Часть событий прошлого, которые произвели различные типы несущих кислород молекул гемоглобина, мы можем восстановить, рассматривая различные формыэтого белка в организмах, пребывающих на различных ветвях филогенетическогодрева жизни. Молекула наподобие гемоглобина была необходима для того, чтобымногоклеточные животные могли вырасти до больших размеров, так как крупные животные уже не могли полагаться на простую диффузию кислорода через поверхностьтела, чтобы адекватно снабжать свои ткани кислородом.
Как следствие, подобныегемоглобину молекулы встречаются у всех позвоночных и многих беспозвоночных.Самая примитивная переносящая кислород молекула у животных — полипептиднаяцепочка глобина длиной приблизительно 150 аминокислот, которая обнаружена умногих морских червей, насекомых и примитивных рыб. Однако у более сложныхпозвоночных молекула гемоглобина состоит из цепей глобина двух видов.
Кажет-Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 427Рис. 4.88. Схематическое представление молекулыантитела (иммуноглобулина). Эта молекула представляет собой комплекс, состоящий из двух идентичныхтяжелых цепей и двух идентичных легких цепей. Каждаятяжелая цепь содержит четыре подобных ковалентносвязанных домена, тогда как каждая легкая цепь содержит два таких домена. Каждый домен кодируетсяотдельным экзоном, и все экзоны, как думают, эволюционировали путем серии дупликаций единственногопредкового экзона.ся, что приблизительно 500 миллионов летназад, во время продолжающейся эволюциирыб, произошла серия мутаций и дупликацийгенов.
Эти события утвердили два несколькоразнящихся гена глобина, кодирующих цепиα- и β-глобина в геномах всех особей. Усовременных позвоночных каждая молекула гемоглобина представляет собой комплекс из двух α-цепей и двух β-цепей (рис. 4.86). Четыре кислород-связывающихучастка в молекуле α2β2 взаимодействуют между собой так, что при связываниии высвобождении кислорода в молекуле гемоглобина происходят кооперативныеаллостерические изменения, благодаря чему такой гемоглобин связывает и выделяеткислород более эффективно, чем его одноцепочечный вариант.Еще позже, во время эволюции млекопитающих, ген β-цепи, очевидно, подвергся дупликации и мутации и дал начало второй β-подобной цепи, которая синтезируется исключительно у плода.
Получающаяся молекула гемоглобина имеетболее высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин взрослого, и, таким образом,способствует переносу кислорода от матери к плоду. Впоследствии ген новойβ-подобной цепи снова был дуплицирован и мутирован и дал два новых гена — εи γ; сейчас ε-цепь продуцируется на более ранних стадиях развития плода (и образует α2ε2), чем γ-цепь, которая формирует α2γ2. Еще позже, во время эволюцииприматов, произошло дублирование гена β-цепи взрослого, что дало начало генуδ-глобина и, таким образом, второстепенной форме гемоглобина (α2δ2), котораяобнаружена только у взрослых приматов (рис.
4.87).Каждый из таких дублированных генов был видоизменен точечными мутациями, которые затрагивают свойства конечной молекулы гемоглобина, а также изменениями в регуляторных областях, которые определяют время и уровень экспрессиигена. В результате все эти глобины вырабатываются в различных количествах и вразные временные периоды развития человека (см. рис. 7.64, б).Конечный результат процессов дупликации генов, в силу которых возникловсе многообразие цепей глобина, ясно прослеживается на генах человека, произошедших от первоначального β-гена: они устроены в виде ряда гомологичных последовательностей ДНК, расположенных друг за другом и имеющих размеры впределах 50 000 пар нуклеотидов.
Подобная группа генов α-глобина расположенана отдельной хромосоме человека. Поскольку группы генов α- и β-глобина у птици млекопитающих находятся на отдельных хромосомах, а у лягушки Xenopus расположены вместе, считается, что событие хромосомной транслокации разделилоэти две группы генов около 300 миллионов лет назад (см. рис. 4.87).428Часть 2. Основные генетические механизмыВ группах генов α- и β-глобина есть несколько дублированных последовательностей ДНК глобина, которые являются не функционально активными генами,но псевдогенами.
Они очень близки последовательностям с функционально активными генами, но были выведены из строя мутациями, которые препятствуютих экспрессии. Существование таких псевдогенов проясняет и делает очевиднымтот факт, что, как и следует ожидать, далеко не каждая дупликация ДНК ведетк появлению нового функционально активного гена. Мы знаем также и то, чтопоследовательности функционально неактивной ДНК долго не отвергаются, о чемсвидетельствует большой избыток некодирующей ДНК, которой заполнены геномымлекопитающих.4.5.12. Гены, кодирующие новые белки, могут быть результатомрекомбинации экзоновРоль дупликации ДНК в эволюции не сводится только к распространениюсемейств генов.
Это событие может происходить также и в меньшем масштабе исоздавать отдельные гены, стягивая вместе короткие дуплицированные сегментыДНК. Белки, кодируемые генами, образованными таким способом, могут бытьидентифицированы по наличию повторяющихся подобных белковых доменов,которые ковалентно связаны друг с другом в последовательность. Например, иммуноглобулины (рис. 4.88) и альбумины, а также и большинство фибриллярныхбелков (таких как коллагены), кодируются генами, которые эволюционировалипосредством повторных дупликаций исконной последовательности ДНК.В генах, которые эволюционировали таким способом, а также и во многихдругих генах каждый отдельный экзон часто кодирует отдельную единицу укладкибелка, или домен. Считается, что организация кодирующих последовательностейДНК в виде ряда таких экзонов, разделенных длинными интронами, во многомспособствовала эволюции новых белков.
Дупликации, необходимые для образования отдельного гена, кодирующего белок с повторяющимися доменами, могут,например, часто происходить путем разрыва и воссоединения ДНК в каких-нибудьпозициях длинных интронов, лежащих по обе стороны от экзона; без интронов висходном гене было бы лишь несколько участков, в которых рекомбинационныйобмен между молекулами ДНК мог бы привести к дублированию домена.
Благодаря возможности дублирования путем рекомбинации на многих потенциальныхучастках, а не только в нескольких, интроны увеличивают вероятность благоприятного события дупликации.В более общем смысле можно сказать, что из последовательностей геномамы знаем, что различные части генов — как их отдельные экзоны, так и их регуляторные элементы, — служили модульными элементами, которые подвергалисьдупликации и перемещались по геному, в результате чего возникло величайшеемногообразие живых существ. Так, например, многие современные белки скроены,подобно лоскутному одеялу, из доменов различного происхождения, что отражаетих долгую историю эволюции (см. рис. 3.19).4.5.13. Нейтральные мутации часто распространяются и закрепляются в популяции с вероятностью, зависящей от размера популяцииПри сравнении двух видов, которые расходились один от другого в течениемиллионов лет, нет особой разницы, какие особи от каждого из этих видов под-Глава 4.
ДНК, хромосомы и геномы 429Рис. 4.89. Зрительное отображение частого типа полиморфизма среди людей. Около половины обследованных людей имело по девять копий гена амилазы (слева),который кодирует важный фермент, переваривающийкрахмал. У других людей обнаружена или потеря ДНК,или дополнительная ДНК, что дало начало видоизмененной хромосоме, имеющей либо делецию (потеря), либодупликацию (дополнение) в этой области. Чтобы получитьэти изображения, растянутые волокна хроматина гибридизировали с окрашенными в разный цвет зондами, нацеленными на два конца гена амилазы, как и показано нарисунке. Синие линии обозначают общие пути хроматина.Они были определены вторым красителем и смещенына одну сторону для ясности картины. (Переработано наоснове A. J. Lafrate et al., Nat. Genet.
36: 949–951, 2004. Свеликодушного разрешения Macmillan Publishers Ltd.)лежат сравнению. Например, типичные последовательности ДНК человека и шимпанзеотличаются друг от друга примерно на 1 %.Напротив, когда одна и та же область геномаотобрана от двух разных людей, различия,как правило, составляют менее 0,1 % (внутривидовой полиморфизм, напрмер у дрозофилы, составляет примерно 1%, а у асцидийможет достигать 10% — прим.ред.). У болееотдаленно связанных организмов межвидовыеразличия затмевают внутривидовую изменчивость еще более впечатляюще. Однако каждое«закрепленное различие» между человеком ишимпанзе (иными словами, каждое различие,которое в настоящее время является характерным для всех или почти всех представителейобоих видов) возникло как новая мутация вгеноме какой-то одной особи.
Если размер популяции с внутривидовым скрещиванием особей, в которой произошла мутация, равен N,то начальная частотность аллеля новой мутациибудет равна 1/(2N) для диплоидного организма. Как столь редкая мутация становится закрепленной в популяции и, следовательно, становится характеристикойвида, а не конкретного отдельно взятого генома?Ответ на этот вопрос зависит от функциональных последствий мутации.
Еслимутация оказывает весьма пагубное воздействие на организм, то она попросту будетизъята естественным отбором и, таким образом, не получит закрепления. (В самом крайнем случае особь, несущая в себе эту мутацию, умрет, не дав потомства.)Наоборот, редкие мутации, которые придают унаследовавшим их особям значительное преимущество в плане воспроизводства, могут быстро распространиться430Часть 2. Основные генетические механизмыв популяции. Поскольку людям свойственно половое размножение и при всякомобразовании гаметы происходит генетическая рекомбинация (обсуждается в главе 5),геном каждого представителя, который унаследовал данную мутацию, будет представлять собой уникальную рекомбинационную мозаику сегментов, унаследованныхот большого числа предков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
