Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 75
Текст из файла (страница 75)
Таким образом, функцию тех генов человека, о которых не имеется никакой биохимической или генетической информация, часто возможно предсказать путем простого сравнения их нуклеотидных последовательностей с последовательностями соответствующих генов других организмов. Вообще, последовательности генов более консервативны, чем структура генома в целом. Как мы видели ранее, другие особенности организации генома, такие как размер генома, число хромосом, порядок расположения генов по длине хромосом, обилие и размер интронов, а также количество повторов ДНК, как оказалось, сильно отличаются у разных организмов, как и число генов, имеющихся в распоряжении особи того или иного вида.
Число генов лишь очень слабо согласуется с фенотипической сложностью организма (см. таблицу 1.1). Значительная часть увеличения числа генов, наблюдаемого с возрастанием биологической сложности, приходится на расширение семейств близкородственных генов — наблюдение, которое ставит дупликацию и расхождение генов на место главных эволюционных процессов. И в самом деле, весьма вероятно, что все ныне существующие гены являются потомками — через процессы дупликации, расхождения и перераспределения сегментов гена — нескольких предковых генов, которые имелись в наличии у первых форм жизни. 4.5.1. Изменения генома вызваны сбоями нормальных механизмов копирования и поддержания ДНК Клетки в зародышевой линии не имеют специализированных механизмов для внесения изменений в структуру своих геномов: вместо этого, эволюция зависит от аварий и ошибок, сопровождаемых обусловленной выживаемостью организмов.
Большинство происходящих генетических изменений является всего лишь результатом отказов в функционировании нормальных механизмов, при помощи которых геномы копируются или восстанавливаются при повреждении, хотя перемещение элементов подвижной ДН К также играет заметную роль в этом деле. Как мы будем говорить в главе 5, механизмы, которые поддерживают последовательности ДНК, удивительно точны — однако они не совершенны. Например, благодаря сложным устройствам механизмов репликации ДНК и систем репарации ДНК, клетки мо гут передавать последовательности ДНК по наследству с невероятной точностью, и в одной линии родословной примерно только одна из тысячи пар нуклеотидов зародышевой линии изменяется случайным образом за каждый миллион лет. Даже в таком случае в популяции из 10000 диплоидных особей каждая возможная за мена нуклеотидов будет «опробована» приблизительно в 20 случаях на протяжении миллиона лет — короткий промежуток времени в масштабе эволюции видов.
4.5.2. ЙосдВДОВВтвпьиости Гвиоялов Оргвиизмов Двух ВИДОВ РВЗПИЧВИЗтсн ВРОВОРС4ИОИВПГЗИО ГтРОаЛВХКУГИУ ВРВйаВИИг В ГВЧВИИВ котОРОГО Оии звопюЦиоииООВВли ивзввисийао ДРУГ От ДРУГВ Различия между геномами видов, живущих сегодня, накопились за более чем 3 миллиарда лет. Не имея точной записи изменений, происходивших во времени, мы можем тем не менее восстановить процесс эволюции гепомов на основании детального сравнения геномов современных организмов.
Основной инструмент сравнительной геномики — филогенетическое дерево. Простой пример — дерево, описывающее расхождение человека и человекообраз Рис. 4.75. Филогенетичесное дерево, поназывающее отношения родства между человеком и человекообразньгми обезьянами„установленные на основании даннык сравнения нуклеатидньж последовательностей.
Как отмечено, последовательности геномов всех четырех видов, по оценкам, отличаются от последовательности генома их последнего общего предка немногим более чем на 1,5 М. Поскольку изменения происходят не- 16 последний общий предок зависимо в обеих расходящихся линиях '$ родословной, постольку полярные срав- ~и пения показывают вдвое более сильное РасхожДение послеДовательносгей от а $10 к последнего общего предка. Например, сравнение человек -орангутан обычно дает расхождение последовательностей с немногим более 3 М, тогда как сравнение л человек — шимпанзе показывает расхожде- й ние приблизительно 1,2 М. (Переработано нз Г.
С. СЬеп апд уу. Н. и. Алс Х Ниль белет. 68: 444 — 456„2001. С любезного разрешения Пмтелйту о1 Смсабо ргезв) человек шимпанзе горилла орангуган к 1,0 е Б 0,6 й Б Ошибки при репликации ДНК, рекомбинации ДНК или репарации ДНК могут вести или к простым изменениям в последовательности ДНК вЂ” типа замены одной пары оснований на другую, или к крупномасштабным перестройкам генома — типа делеций, дупликаций, инверсий и транслокаций ДНК из одной хромосомы в другую. Вдобавок к такого рода сбоям в генетических машинах важным источником измене ния генов выступают различные элементы подвижной ДНК, которые будут описаны в главе 5 (см. таблицу 5 3, стр.
48б). Такие мобильные элементы ДНК(траггспозотгы) представляют собой последовательности ДНК паразитов, которые заселили геномы и могут распространяться в их пределах. В процессе этого они зачастую нарушают функцию или изменяют регулирование существующих генов. Прн случае они могут даже создать в совокупности новые гены через слияние между последовательностями транспозонов и сегментами существующих генов.
За длительные периоды времени эволюции транспозоны глубоко затронули структуру геномов. Фактически почти половина ДНК в геноме человека имеет распознаваемое подобие с известными по следовательностями транспозонов, а это говорит о том, что эти последовательности являются следами свершившихся в прошлом событий транспозиции (см. рнс. 4.17). Вполне очевидно, что даже еще более весомая доля нашего генома порождена со бытиями транспозиции, которые произошли так давно (> 1О" лет), что связь этих последовательностей с транспозонами уже не удается проследить.
4.5. Пути эволюции геиомов 379 ных обезьян (рис. 4.75). Главнейшим субстратом для построения такого дерева служат данные по сравнению последовательностей белков или генов. Например, сравнения между последовательностями генов или белков человека и таковых у человекообразных обезьян обычно показывают наименьшее число различий между человеком и шимпанзе и наибольшее между человеком и орангутаном. Для таких близкородственных организмов, как человек и шимпанзе, относительно легко восстановить последовательности генов вымершего последнего общего предка этих двух видов (рис. 4.7б).
Близкое подобие между генами человека и шимпанзе обусловлено главным образом коротким периодом времени, на котором происходило накопление мутаций в двух расходящихся линиях родословной, а не функциональными ограничениями, которые поддерживали последовательности в неизменном виде. Доводы в пользу этого представления основываются на том наблюдении, что даже последовательности ДНК, порядок нуклеотидов которых функционально не ограничен, — такие как последовательности, которые кодируют фибринопептиды (см.
разд. 5.1.1), или третья позиция «синонимичных» кодонов (кодонов, определяющих одни и те же аминокислоты, см. рис. 9.7б) — являются у человека и шимпанзе почти тождественными. Для состоящих в гораздо менее близких отношениях организмов, как например, человек и курица (которые эволюционировали по отдельности на протяжении около 300 миллионов лет), консервативность последовательностей, обнаруживаемая в генах, связана главным образом с очищающим отбором (рнг1Ту1пд зе!ес(1оп; то есть отбором, который изымает из оборота особи, несущие в себе мутации, которые нарушают важные генетические функции), а не с недостаточным периодом времени для возникновения мутаций.
В результате кодирующие белок, кодирующие РНК и регуляторные последовательности в ДНК часто оказываются на удивление консервативными. Напротив, основные доли последовательностей ДНК в геномах человека и курицы разошлись из-за множественных мутаций столь далеко, что часто не удается выровнять их друг с другом. 4.5.3. Филогенетические деревья, построенные на основании сравнения последовательностей ДНК, позволяют проследить эволюционные отношения всех живых организмов Объединение филогенетических деревьев, основанных на сравнениях молекулярных последовательностей, с палеонтологическими данными привело к воссозданию наилучшей из имеющихся картины эволюции современных форм жизни. Данные палеонтологии остаются важным в качестве источника абсолютных дат, основанных на распаде радиоизотопов в горных породах, в которых найдены окаменелости.
Однако точное время расхождения видов трудно установить по окаменелостям, даже для видов, в окаменелостях которых четко различима морфология. Такие объединенные филогенегические деревья предполагают, что изменения в последовательностях специфических генов или белков, как правило, происходят с почти постоянной частотой, хотя в отдельных линиях генеалогического древа жиз ни наблюдаются скорости, отличающиеся от нормы не менее чем вдвое.
Как быао упомянуто выше и еще будет сказано в главе 5, такие «молекулярные часы» бегут наиболее быстро и регулярно в последовательностях, которые не подвергаются очи щающему отбору, как например, межгенные области, интронные участки, которые не подвергаются вырезанию или действию регуляторных сигналов, а также гены, 380 Часть 2.
Основные генетические механизмы которые были безвозвратно инактивированы мутацией (так называемые псевдогены). Такие часы бегут наиболее медленно в отношении последовательностей, которые подчинены сильным ограничениям со стороны их функции, — например, аминокислотные последовательности белков наподобие актина, которые участвуют в определенных взаимодействиях с большим числом других белков и чья структура поэтому заключена в жесткие конформационные рамки (см., например, рис. 18.18).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
