Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Гены, нс имеющие гомологичных аналогов, опюсительно малочисленны, 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 иенов. Чтобы создать такие семейства, гены неодно кратно дуплицировались, и после этого копии эволюционно разошлись и приобрели новые функции, которые зачастую изменяются от одного вида к другому, Здесь показаны гены, кодирующие ядерные рецепторы гормонов у человека, червя нематоды и плодовой мушки (рпс. 4.85).
Многие из подтипов таких ядерных рецепторов (называемых также внутриклеточными рецепторами) имеют близких 0 еще 30 генов еще В генов Рис. 4.85. Филогенетическое дерево, построенное на основе гипотетических белковык последовательностей всем ядерных рецепторов гормонов, кодируемык в геномак человека (и. эаргелэ(, червя нематоды (С е/едопэ( и плодовой мушки ((1 пю(олодаМег(. Треугольники представляют подсемейства белков, которые распространились в пределах отдельных эволюционных линий; ширина этих треугольников показывает число генов, кодирующих членов этих подсемейств цветные вертикальные полоски представляютодиночный ген. Несуществуетпросюй схемы истории дупликаций идивергенций, которые привели х созданию семейств генов, ходи рующих ядерные рецепторы в этих трех современных организмах. Семейство ядерных рецепторов гормонов описано на рис.
15. 14. Эти белки участвуют в передаче сигналов в клетках и в регулировании генов. (Переработано из (птегпабопа! Нигпап бепогпе Сопиэптипг, МаГиге 409: 860-921, 2001. С любезного разрешения Маспйвап Риы!эьегэ Цгь) гомологов у всех трех организмов, которые более подобны друг другу, чем другим ггходягпим в семейство подтипам рецепторов, имеюгпихся у тех же видов.
Поэтому болыпая часть функционального расхождения этого болыпого семейства генов, должно быть, предшествовала расхождению этих трех эволюционных линий. Впоследствии одна главная ветвь этого семейства генов подверглась обширному распространению только в линии червя. Подобные, но меньшего масштаба специфи ческие для своих генеалогических линий распространения определенных подтипов заметны по всему эволюционному дереву семейства генов. Дупликация генов происходит с высокой скоростью во всех эволюционных линиях, внося свой вклад в энергичный процесс приумножения ДПК, который мы обсуждали ранее. При доскональном изучении событий самопроизвольного дублирования у дрожжей обычно наблтодали дупликацию от 50 000 до 250 000 пар нуклеотидов, большинство которых повторялось тандемно.
Они оказались резуль татом ошибок репликации ДИК, которьк привели к неточному восстановлению участков двунитевых разрывов хромосом. Сравнение геномов человека и шимпанзе показывает, что, с того времени, когда эти два организма разошлись, сегментные дупликации добавляли около 5 миллионов пар нуклеотидов к каждому из ге помов каждый миллион лег, при этом средний размер дупликации был около 50000 пар нуклеотидов 1однако, есть и в пять раз более крупные дупликации— как у дрожжей).
с(тактически, если вести счет нуклеотидам, события дупликации создали больше различий между нашими двумя видами, чем замены отдельных нуклеотидов. 4,5Л О. Дуплмцироввнмые гены диве(згмруизт Основной вопрос в области эволюции генома касается судьбы недавно дупли цированньгх генов. В большинстве случаев предполагается, что на них воздействует незначительный или вообше нулевой отбор — по крайней мере первоначально,— чтобы поддерживать дуплицированное состояние; это связано с тем, что обе копии 390 Часть 2. Основные генетические механизмы способны осуществлять одинаковые функции. Следовательно, многие события дупликации, по всей вероятности, сопровождались мутациями с потерей функции в одном или другом гене соответствующей пары. Такой цикл функционально восстановил бы состояние с одним геном, которое предшествовало дупликации.
И в самом деле, известно много примеров в современных геномах, где можно видеть, что одна из копий дуплицированного гена стала безвозвратно инактивированной в результате многократных мутаций. Через какое-то время подобие последовательностей между таким псевдогеном и функционально активным геном, удвоение которого и произвело этот псевдоген, как можно ожидать, будет размываться за счет накопления большого числа мутаций в псевдогене — и их гомологическую связь в конечном счете будет невозможно определить.
Альтернативная судьба дупликаций генов — когда обе копии остаются функционально активными, но при этом расходятся (дивергируют) в отношении своих последовательностей и профилей экспрессии и, таким образом, начинают играть различные роли. Такой процесс «удвоения и расхожденияь, или дупликации и дивергенции, почти наверняка объясняет присутствие в биологически сложных организмах крупных семейств генов со схожими функциями и, как думают, играег определяющую роль в эволюции возрастающей биологической сложности. Просмотр многих различных геномов эукариот показывает, что вероятность того, что любой отдельно взятый ген подвергнется событию дупликации, которое распространит ся на большинство особей вида или даже на весь вид, равна приблизительно 1;ь на миллион лет.
Дупликация полных геномов демонстрирует особенно впечатляющие примеры цикла дупликации-расхождения. Дупликация целого генома может произойти весьма просто: все, что для этого требуется, — один круг репликации генома в зародышевой линии 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 произошло столь давно, что прошло достаточно много времени для последующих изменений в структуре генома, то результаты ряда сегментных дупликаций, — происходящих в различные моменты времени — очень трудно отличить от конечного продукта дупликации полного генома.
У млекопитающих, например, роль дупликации целого генома, в отличие от ряда происходящих по частям дупликаций сегментов ДНК, совершенно непонятна. Тем не менее совершенно ясно, что в далеком прошлом имело место большое число дупликации генов. Анализ генома полосатого данно, в геноме которого либо случилась дупликацня целого генома, либо произошел ряд более локальных дупликаций сотни миллионов лет назад, пролил немного света на процесс дупликации и расхождения генов.
Хотя многие дубликаты генов полосатого данно, кажется, потеряны по причине мутаций, существенная доля — возможно, не менее 30 — 50 У0 — отклонилась функционально, при том что обе копии остались активными. Во многих случаях наиболее очевидное функциональное различие между дуплицированными генами состоит в том, что они экспрессируются в разных тканях или на разных стадиях развития (см. рис.
22.4б). Одна привлекательная теория, призванная объяснить такой конечный результат, основана на представлении о том, что в обеих копиях набора удвоенных генов быстро происходят разные умеренно пагубные мутации. Например, одна копия может потерять экспрессию в определенной ткани в результате регуляторной 45. Пути эволюции геномов 391 мутации, в то время как другая копия теряет экспрессию во второй ткани. После такого стечения обстоятельств обе копии гена должны будут обеспечивать полный набор функций, которые выполнялись в свое время одним-единственным геном; следовательно, обе копии будут теперь защищены от потери из-за инактивирующих мутаций. За более длительный период каждая из копий может впоследствии подвергнуться дальнейшим изменениям, посредством которых приобретет новые, специализированные свойства. 4.5.11.
Эволюция семейства генов глобина показывает, какой вклад дупликация ДНК вносит в эволюцию организмов Семейство генов глобина представляет особенно хороший пример того, как дупликация ДНК производит на свет новые белки, потому что история его эволюции была восстановлена с особенной тщательностью. Несомненные подобия в аминокислотной последовательности и структуре, наблюдаемые среди современных глобинов, указывают на то, что все они должны происходить от общего предкового гена, даже при том, что теперь некоторые из них кодируются далеко разнесенными генами в геноме млекопитающих. Часть событий прошлого, которые произвели различные типы несущих кислород молекул гемоглобина, мы можем восстановить, рассматривая различные формы этого белка в организмах, пребывающих на различных ветвях филогенетического древа жизни.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
