Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Позже на дрозофиле, больше чем на любом другом организме, было показано, как можно проследить причинно-следственную цепь, ведущую от генетических инструкций, закодированных в хромосомной ДНК, к структуре взрослого много клеточного организма. Мутанты дрозофилы с расположенными необычным образом частями тела или с неверным рисунком дали ключ для идентификации и характери стики генов, необходимых для создания должным образом структурированного тела: с кишечником, конечностями, глазами и всеми другими частями, расставленными по надлежащим им местам.
Как только нуклеотидные последовательности этих генов дрозофилы были определены, появилась возможность провести поиск их гомологов в геномах позвоночных животных. Такие гомологи были найдены, а их функции у позвоночных проверены в ходе анализа мышей, у которых эти гены были видо изменены. Результаты, как мы увидим позднее, показывают удивительную степень подобия молекулярных механизмов развития насекомого и позвоночного. Болыпинство всех известных человеку видов живых организмов представлено насекомыми. Так что, даже если бы дрозофнла не имела ничего общего с позвоноч ными животными, а только с насекомыми, она все равно оставалась бы важнейшим модельным организмом.
Но если целью является изучение молекулярной генетики позвоночных животных, то почему не заняться этой проблемой прямо? Почему к ней подбираются косвенно, через исследования дрозофилы? Для развития дрозофилы из оплодотворенного яйца во взрослое насекомое требуется всего лишь 0 дней; размножать ее зна чительно легче и дешевле, чем любое позвоночное животное, а также ее геном намного меньше— около 170 млн. п.н.
по сравнению с 3200 мил Рис. 1.49. Гигантские хромосомы из клеток слюнных мелев гвэомтфильь Поскольку много раундов репликацииДНК про- в' шло без промежуточного деления клетки, каждая из хромосом в этих необычных клетках содергкит более 1 000 идентичных молекул ДНК, выстроенных в цепочку. Благодаря этому в световом микроскопе видна характерная для хромосом и воспроизводимая картина полас. Определенные полосы мокнут быть идентифицированы как местоположения определенных генов:мутантнзя муха с пропущенной областью в картине полос дает представление о фенотипе, обуслов- !-,.— ленном потерей генов в этой области. Гены, которые транс- !:;; крибируются с высокой скоростью, соответствуют полосам. ~Ф которые выглядят «одутловатыми».
Полосы, окрашенные на микрофотографии темно-коричневым цветом, представляют собой участки, где с ДНК связан специфический регуляторный белок. (Любезность В. 21пй и й. Раго, из й. Раго, Ггепдз белет. б 416-421, 1990. С разрешения издательства Ейелег.) 20 мкм 5б Честь 1. Введение в мир клетки лионами у человека. Ее геном кодирует приблизительно 14000 белков, и теперь мутанты могут быть получены, по существу, для любого гена. Но есть также и дру гая, более глубокая причина, по которой генетические механизмы, которые трудно обнаружить у позвоночного животного, часто легко выказываются у мухи.
И эта причина кроется,как мы теперь объясняем, в частоте дупликации генов, которая в геномах позвоночных существенно выше, чем в геноме мухи, и, вероятно, была решающим фактором сложного и хитроумного устроения позвоночных. 1.3.14. Геном позвоночных представляет собой продукт повторной дупликации Почти у каждого гена в геноме позвоночного есть паралоги — другие гены в том же самом геноме, которые, несомненно, родственны и, должно быть, воз никли в результате дупликации генов. Во многих случаях целый кластер генов оказывается близкородственным таким же кластерам, присутствующим в каком- либо другом месте генома, что наводит на мысль о том, что гены дуплицировались не в индивидуальном виде, а связными группами.
Согласно одной гипотезе, на ран нем этапе эволюции позвоночных полный геном подвергся двум последовательным дупликациям, что положило начало четырем копиям каждого гена. В некоторых группах позвоночных, таких как рыбы семейств лососевых и карповых (в том числе полосатый данно — популярный объект исследований), как предполагают ученые, произошла еще одна дупликация, результатом чего стала восьмикратная представленность генов.
Точный путь эволюции генома позвоночных остается неизвестным, потому что со времени этих стародавних событий произошло много эволюционных изменений. Гены, которые когда-то были идентичными, разошлись; множество копий этих генов было потеряно из-за разрушающих мутаций; некоторые подверглись последующим раундам локальной дупликации; и геном в каждой ветви генеалогического древа позвоночных претерпевал повторные перестройки, почти полностью нарушавшие изначальный порядок генов.
Сравнение порядка генов двух эволюционно родствен ных организмов, таких как человек и мышь, показывает, что часто — во временном масштабе эволюции позвоночных — хромосомы сливаются и фрагментируются, в результате чего происходит неоднократное перемещение больших блоков после довательности ДНК. Действительно, вполне возможно, как мы покажем в главе 7, что существующее состояние дел — это результат многих отдельных дупликаций фрагментов генома, а не генома целиком. Однако не вызывает сомнений и тот факт, что дупликация целого генома, на самом деле, время от времени происходит в ходе эволюции, и за такими при мерами далеко ходить не надо, так как дублированные наборы хромосом все еще явно опознаются в качестве таковых.
Род лягушек Хепориз, например, включает набор близкородственных видов, связанных друг с другом через повторные ду пликации или трипликации целого генома. Среди этих лягушек мы можем видеть Х. ггор1са11з с обычным диплоидным геномом; завсегдатая исследовательских лабораторий Х. 1аепЬ с дублированным геномом и удвоенным количеством ДНК на клетку; и Х. гигпепголепзи с шестикратным дублированием исходного генома и в шесть раз увеличенным количеством ДНК в клетке (108 хромосом по сравнению, например, с Зб у Х.
1аепи). Эти виды, согласно оценкам специалистов, разошлись около 120 миллионов лет назад (рис. 1.50). 1З. Генетическая информация эукариот 57 рис. 1.50. Два вида лягушки рада ляпоров Х. гптргса)гз, представленный сверху, имеет обычный диплоидный геном; Х. /аеИз, помещенный ниже, имеет вдвое большееколичествоДНК на клетку. По картинам распределения полос их хромосом и расположению генов на них, а также на основании сравнения последовательностей генов ясно, что вид с большим геномом эволюционировал за счет дупли наци и целого генома. Эти дупликации, как полагают, произошли в результате спаривания между лягушками слегка разошедшихся видов Хепориз. (Любезность Е. Дптауа, М.
Отбе)с) и й. Ппйпвег, Тгепгк белет. 14: 253 — 255, 1998. С разрешения издательства Е)зеу)ес) 1.3.15. Генетическая избыточность создает лишние проблемы генетикам, % но зато дает дополнительные возможности эволюционирующим организмам Какие бы события ни происходили в эволю ционной истории, ясно, что большинство генов в геноме позвоночных существует в нескольких вариантах, когда-то идентичных. Родственные гены зачастую остаются функционально вэаимоза меняемыми. Это явление называют генепгческой избыточностью.
Для ученого, изо всех сил пытаю щегося обнаружить все гены, участвующие в том или ином процессе, она усложняет задачу. Если ген А мутировал и никакого эффекта не наблюдается, то из этого нельзя заключать, что ген А в функциональном отношении не связан с данным фектом — просто может оказаться, что этот ген обычно работает параллельно со своими родственниками и их усилий достаточно для практически нормального выполнения функции, даже когда ген А дефектен. В геноме дрозофилы, где ду пликация генов происходит реже и повторов в геноме меньше, анализ значительно упрощен: фунютии отдельных генов проявляются напрямую — по последствиям от мутаций единичных генов (одномоторный самолет падает, когда его двигатель ломается).
Удвоение генома определенно привело к развитию более сложных форм жизни; оно, подобно рогу изобилия, обеспечивает организмы запасными копиями генов, которые могут свободно мутировать и выполнять все более разнящиеся задачи. Пока одна копия оптимизируется, скажем, для использования в печени, другая может оптимизироваться для использования в мозге или приспосабливаться к вы полнению новой задачи. Вот почему дополнительные гены усиливают сложность и замысловатость генома в целом. По мере того как гены все больше расходятся в функциональном отношении, они перестают быть избыточными.
Часто, однако, бывает так, что, несмотря на исполине уже индивидуапьных партий, гены продолжа ют участвовать также и в некоторых эпизодах, выполняя ранее присущую им роль в массовке, то есть участвовать избыточно. В таком случае мутация единственного гена вызывает относительно небольшое нарушение, что дает информацию лишь об одной из функций этого гена (рис. !.Б!).
Семейства генов с разошедшимися, но частично накладывающимися функциями — распространенная особенность мо 58 Часть 1. Введение в мир клетки ген 6, ген О, ген 6, ген О, К: ЭС зй Вс' потеря гена 6, потеря гена 6, потеря генов 6, и 6, гэн гак О предок совреыенный организм а) ЗВОЛЮЦИЯ ПУТЕМ ДУБЛИРОВАНИЯ ГЕНА б) МУТАНТНЫЕ ФЕНОТИПЫ СОВРЕМЕННОГО ОРГАНИЗМА Рис. 1.51. Дупликация гена как инструмент мугационного анализа для выяснения функций генов. В этом гипотетическом примере п редко вы й ми огоклеточны й организм имеет геном, содержащий единственную копию гена 6, который выполняет свою функцию на нескольких участках тела, обозначенных зеленым. а] За счет дупликации гена современный потомок предкового организма имеет две копии гена 6, названные 6, и 6,. Они в некоторой степени разошлись по профилям экспрессии и по уровням их активности на участках экспрессии, но по-прежнему сохраняют важные черты сходства. В некоторых участках они экспрессируются совместно и независимо друг от друга выполняют ту же самую старую функцию, что и предковый ген 6 (чередующиеся голубые н желтые полосы); на других участках они экспрессируются индивидуально и могут выполнять новые задачи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
