Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Наконец, на протяжении 2 или 3 миллиардов лет эволюции некоторые гены, которые были первоначально общими, изменились до неузнаваемости по описанным выше причинам. 34 Часть 1. Введение в мир клетки Из-за всех этих превратностей эволюционного процесса создается впечатление, что только малая доля предковых семейств генов сохранилась у всех видов в легко узнаваемой форме. Таким образом, из 4873 кодирующих белок семейств генов, ко торые идентифицированы при сопоставлении геномов 50 видов бактерий, 13 архей и 3 одноклеточных эукариот, только б3 оказались действительно вездесущими (то есть представленными во всех проанализированных геномах).
Значительное боль шинство этих универсальных семейств относится к компонентам систем транскрип ции и трансляции. Вряд ли их можно считать реальным приближением к предковому набору генов. Лучшее — хотя все еще незрелое — представление о последнем может быть получено при регистрации таких семейств генов, которые есть у представите лей многих, но не обязательно всех видов из всех трех надцарств. Таким анализом выявлено 264 древних консервативных семейства. Каждому семейству может быть приписана функция (по меньшей мере в плане общей биохимической активности, но, как правило, с большей точностью), при этом наибольшее число генов из этих общих семейств участвует в трансляции, а также в метаболизме и транспорте аминокислот (таблица 1.2).
Такой набор высококонсервативных семейств генов представляет собою лишь предварительный набросок наследственного матерна ла, единого для всей современной жизни; дальнейшие успехи в секвенировании геномов и совершенствование методов проведения более тонкого сравнительного анализа, возможно, позволят провести более точную реконструкцию набора генов у последнего общего предка всех живых существ. 1.2.13. Мутации раскрывают функции генов Не располагая дополнительной информацией, можно сколь угодно долго вглядываться в последовательности геномов, но так и не углядеть функции генов.
Конечно, мы можем опознать ген В, подобный гену А, но как распознать функцию гена А изначально? И даже зная функцию гена А, как мы можем проверить, дей ствительно ли функция гена В тождественна ей, как это предполагает подобие нх последовательностей? Как совместить мир абстрактной генетической информации с миром реальных живых организмов? Анализ функций генов зависит от двух взаимодополняющих подходов: гене тического и биохимического. Генетика отталкивается от изучения мутантов: мы находим или создаем организм, у которого интересующий нас ген видоизменен, и исследуем влияние измененного гена на строение и жизнедеятельность организма (рис.
1.28). Биохимия исследует функции молекул: мы извлекаем молекулы из ор ганизма и затем изучаем их химические свойства. Обьединяя генетику с биохимией и исследуя химические отклонения в организме мутанта, можно найти именно те молекулы, производство которых зависит от данного гена. В то же время изучение жизнедеятельности организма мутанта показывает нам, какую роль эти молекулы играют в функционировании организма в целом. Таким образом, обьединенные усилия генетики и биохимии позволяют связать воедино гены, молекулы, а также строение и функцирование организма.
В последние годы информация, полученная о последовательностях ДНК, и мощное совершенствование инструментария молекулярной биологии сделали возможным стремительный прорыв в этой области. На основании сравнительного анализа последовательностей в пределах одного гена часто можно идентифицировать специфические подобласти, которые остались почти неизменными в ходе эволюции.
Такие консервативные подобласти, скорее всего, являются самыми важными частя 1.2.РНЗН))ббРН»нй(ННРНВЗН И))РЕНСхжНЗНИ 35 Таблица 1.2. Количество общих для всех трех надцарств живого мира семейспг гешзв, сгруппированных в соответствии с выполняемымн имн функциями Обрвбнпш информации Трансляция 63 Танскрипция 7 Регшнквция, рекомбинации и репарация ' .,: ' ' 13 Внртрйи веточнввз прв)(яссы н пярвйвчн,~йн)вй» УправлемиеклеточньЭацнклом,мьпози:мей»3) ' ., ' 2 Зайкэтньшьгехвшэцкн " '' ' .„-': ..': '- ~ ) "„, ."..!, ' ' ' 3. МШШННЗМЫ Пачь))аяИ Снт»аЛОВ- ''' " ' ", „' ' 1 Бногеггез мегкдуклетечннй ствггкойнмнкбрвнбй ' '' ' ' .; ' 2 Бнутриклеточныйтрбнснерти выкелеш4е ' .
', '" ' 4 посттрансляционная медифик»г(йя, банковый обмен, шаве'- роны ' . '.' '' '''''., ' ' . '8 М ее»бе еннв Образов»ни»пир»вращениеэне)?пэИ ' ' .:: ' ' ' ' 19 Тренспорт н метабопизм у«глеврдйв... ', - .. 16 Транспорт'иметвболнзмамннюкйдют -.... ' ' 43 Транспорт имртаболюмн))кяеотидае, «, ' ' " ' ',, -....,,, ',15 Транспортн мех»болизмкрферментов ' '...', ."., 22 Транслортиметвболэнмкиров.
3 . ' .. ' ' '::. ",:9 Транспортиметаболизмнег(ргзннхчесювгиойов' ' ' ' '' ' '"' '- В Биосинтез, транспорт и квтвболизм'вторичнмх Нетвбрлитс(в .' ' ' 5 недоствпзчно ряарвчит»риз»в«в««яйле предсказаны основные б)юх) ьшческ ) в фу)шцигл 24 нз ес»кошеэейасбйежхюмс«кв»рбрь: Прм щюведенмм данного анализа семейства гемов относили к «уммверсэльмьгн», если оми были представлены в гемонах, по крайней мере, двух различны архей (ЛгсИаеор(обиь /и!рк(из м Лепругит Реглгх), двух эволюцконмо далеких бактерий (ЕзслепсИ!а со(г' м Вас(йиг шЫ«(и) н одного зукарнота (дрохоки 5ассИаготусез сегеоЫае).
(Данные от К. !.. Та!визг, Е.У. Коошп и ОХ (зршэп, 5пепсе 276: 631-637, 1997, с разрешения АААБ; К !..Тэспэот ег в!., ВМС Вгогл/оппатгсз 4: 41, 2003, с рэзрешемня В)оМег) Сеп!га); к база данных СООэ ()5 Натгопа! !лЬгвгу о( Мегйс)пе.) Рис.1.28. Мутантный фенотип, отражающий функцию гена. Нормальные дрожжи (вида 5сИ»оэоссИаготусеэ ротЬе) по сравнению с м)тактами, у которых изменение одного гена привело к преобразованию формы клеши из палочковидной (слева] в Т-образную (справа). Следовательно, мутантный ген контролирует форму клетки.
Но как именно на уровне молекул продукт этого гена выполняет такую функцию? Зто более чем сложный вопрос, и для ответа на него необходим биохимический анализ. (Фотография любезно предоставлена Кеппетп 5атпп н Рап! Мпгзе.) Зб Часть 1. Введение в мир клетки ми гена с точки зрения его функции. Мы можем проверить вклад каждой из них в активность продукта гена, вызывая в лабораторных условиях искусственные мутации определенных участков в пределах гена или конструируя искусственные гибридные гены, в которых сочетаются части разных генов. Дабы облегчить био химический анализ, можно конструировать организмы, в больших количествах синтезирующие как РНК, так и белки, предписываемые этим геном.
Специалисты в области структуры молекул могут определить трехмерную конформацию продукта гена, показывающую точное положение каждого атома в нем. Биохимики могут определить, какой вклад каждая из частей генетически предписанной молекулы вносит в ее химическое поведение. Цитологи могут анализировать поведение клеток, сконструированных для экспрессии мугантного гена.
Однако нет ни простого рецепта открытия функции гена, ни простой стандарт ной универсальной формы для ее описания. Например, мы можем обнаружить, что продукт данного гена катализирует некоторую химическую реакцию, но при этом не иметь ни малейшего представления о том, как или почему данная реакция важна для организма. Функциональная характеристика каждого нового семейства про дуктов гена, в отличие от описания последовательностей генов, представляет собой новоявленное испытание находчивости биолога.
Кроме того, мы никогда полностью не постигнем функции гена до тех пор, пока не изучим его роль в жизни организма как единого целого. Для того чтобы получить полное представление о функциях гена, нам следует изучать организмы в целом, а не только молекулы или клетки. 1.2.14. Молекулярные биологи сфокусировали свое внимание на ЕзсЛепс1на соЛ Живые организмы настолько сложны, что чем больше мы узнаем о каких-либо отдельных видах, тем более привлекательными они становятся в качестве объекта дальнейшего изучения. Каждое открытие поднимает новые вопросы и предоставляет новый инструментарий для работы над общими вопросами в контексте выбранного организма.
По этой причине большие коллективы биологов посвящают свою жизнь изучению одного и того же модельного организма во всех его проявлениях. В чрезвычайно многообразном мире бактерий внимание молекулярных биологов в течение долгого времени концентрировалось только на одном виде: ЕзсЬенсЫа сой, или Е. сой (см. рис. 1.17 и 1.18). Эта маленькая, имеющая форму прута одно клеточная бактерия обычно живет в кишечнике человека и других позвоночных животных, но может быть н легко выращена — в простом питательном бульоне в культуральном сосуде. Она приспосабливается к изменяющимся химическим условиям, быстро размножается и может эволюционировать посредством мутаций и отбора с поразительной скоростью. Как и у других бактерий, различные штаммы Е. сой, хотя их и классифицируют как представителей одного вида, отличаются генетически в большей степени, чем различные разновидности воспроизводящегося половым путем организма типа растения или животного, Один штамм Е.
соб может обладать многими сотнями генов, которые отсутствуют у другого, а у двух штаммов может быть не более 50 ' общих генов. Стандартный искусственный штамм Е. сой К-12 имеет геном приблизительно из 4,6 млн. п. н., содержащихся в единственной кольцевой молекуле ДНК, кодирующей приблизительно 4300 различных видов белков (рис. 1.29). На молекулярном уровне мы знаем об Е. сой больше, чем о любом другом живом организме.
Большая часть из постигнутого нами о фундаментальных ме 38 Честь 1. Введение в мир клетки геномами, включающими 1000 — 6000 генов. Многие гены в пределах одного организ ма имеют значительное сходство по последовательностям ДНК, а это говорит о том, что они произошли от общего предкового гена в результате его дупликации (дублирования) и дивергенции (расхождения).
Подобие (гомологичность) семейств оценивается также в ходе сравнительного анализа последовательностей генов различных видов; в результате более 200 семейств генов оказались настолько высококонсервативными, что могут быть признаны общими для большинства видов всех трех надцарств живого лира. Таким образом, зная последовательность ДНК недавно обнаруженного гена, зачастую возможно определить и его функ цию, исходя из известной функции гомологичного гена в досконально изученном модельном организме, таком как бактерия Е.
сой. 1.3. Генетическая информация аукариот В основном, клетки эукариот более крупные и замысловатые, чем клетки прокариот, и геномы их также более крупные н сложные. Ббльший размер пред полагает коренные отличия в структуре и функциях клетки. Кроме того, ядерные клетки многих классов формируют многоклеточные организмы, которые достигают уровней сложности, не превзойденных ни одним прокариотом. Будучи столь сложно организованы, эукариоты встречают молекулярных био логов с заготовленным набором испытаний, повествование о преодолении которых поглотит нас в последующих главах этой книги. Раз за разом биологи сталкиваются с такого рода испытаниями во время анализа и манипулирования генетической информацией на уровне клеток и организмов.
Поэтому так важно в самом начале знать хотя бы кое-что о характерных особенностях генома эукариот. Мы начнем с краткого обсуждения организации клеток эукариот н того, как она отражается на их образе жизни, а также рассмотрим отличия их геномов от таковых у прокариот. В ходе обсуждения у нас сложится общее представление о той стратегии, воору жившись которой, молекулярные биологи с помощью генетической информации пытаются постигнуть принципы жизнедеятельности организмов эукариот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
