10905 (600463), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Следует подчеркнуть, что система теплового шока индуцируется не только повышением температуры, но и воздействиями других весьма разнообразных внешних факторов: вирусным заражением клеток, обработкой ядами, детергентами, другими химическими факторами, нарушением энергетического обмена клеток и т.д. Все эти воздействия являются стрессовыми, неблагоприятными, а реакция системы теплового шока — генерализованной. Кроме того, уровень транскрипции и транспозиций некоторых МГЭ индуцируются УФ- и гамма-облучением, а в Р—М и I—R-системах дрозофилы — дисгенным скрещиванием.

Геномы эукариот, содержащие до 10% МГЭ различных семейств, теперь можно рассматривать как систему разнообразных паттернов МГЭ, которая может быстро перестраиваться под влиянием стрессовых внешних и геномных воздействий. В разных случаях транспозиции могут быть как случайными, так и жестко канализованными по своим локализациям, но они порождают новый вариант изменчивости для полигенных систем. В этом смысле МГЭ можно рассматривать как своеобразные рецепторы стрессирующих сигналов из внешней или генетической среды, "запускающие" системные вспышки наследуемой изменчивости в критические периоды эволюции популяций. Это влечет за собой множественные генетические последствия: быстрое изменение видовой нормы лимитирующих признаков, возможно, изменение лимитирования, изменение спектра дальнейших мутаций и перестроек, становление нового генетического гомеостаза и др. Участие в этих событиях ретропозонов (mdg и др.) означает, что их собственный генетический материал при репликации проходит РНК-стадию, которая имеет вероятность мутирования 10-3—10-4, что на несколько порядков выше, чем в ДНК-содержащих геномах эукариот. Таким образом, гены и функциональные сайты самих ретропозонов подвержены особо сильному мутагенезу. Этоа касается также генов, захваченных ретропозонами из генома хозяина. Критические, стрессовые условия существования часто сопряжены с прохождением популяций через стадию "бутылочного горлышка", которое может быть связано либо с массовым вымиранием; либо с освоением новых экологических ниш по "принципу основателя". В этих условиях новые формы, индуцированные через вспышки транспозиций, могут стать основателями новых популяций с резко измененным фенотипом по лимитирующим количественным или качественным признакам. Здесь возможны как адаптивные, так и случайные варианты быстрого преобразования. В результате фактически эти события могут стать одной из главных компонент изменчивости и эволюции генома дрозофил и других объектов. Не исключено, что изменение системы рисунков локализации МГЭ является одним из механизмов видообразования. Во всяком случае, гибридный дисгенез, индуцирующий транспозиции Р-фактора, является изолирующим механизмом между скрещиваемыми линиями дрозофил.

2.4 Макроэволюция Aiu- подобных повторов

Семейство Alu-повторов млекопитающих является одним из самых больших. У человека оно содержит (5-9) • 105 копий, у шимпанзе в 3 раза больше. Alu-повторы имеют размер ~300 н.п. и содержат два гомологичных мономера -130 н.п., причем второй из них имеет также инсерцию фрагмента 31 н.п. Повторы BI грызунов гомологичны мономерам Alu-повторов (Колчанов и др. 1988) и имеют -150 н.п., а также вставку 32 н.п. Предполагается, что Alu и BI транспозируются в геноме через механизм обратной транскрипции, т.е. являются ретропозонами, хотя строго это не доказано. В настоящее время секвенировано свыше 100 Alu-повторов приматов и десятки BI-повторов грызунов. Другую родственную группу повторов, имеющую распространение от архебактерий до человека, представляют собой гены 7SL РНК. Эта фракция РНК входит в состав рибонуклеопротеидных частиц, участвующих в транспорте секретируемых белков эндоплазматической сети. Колчанов и др. (1988) выполнили совместный генетический анализ мономеров Alu-повторов человека, BI-повторов крысы и 7SL РНК лягушки, крысы и человека (рис. 3). Были использованы известные палеонтологические датировки времени существования общих предков приматов и грызунов (~80•106лeт назад), млекопитающих и земноводных (~350•106 лет назад). Другие датировки были определены по дереву.

Основные результаты анализа состоят в следующем. Общим предшественником современных генов 7SL РНК, Alu- и BI-повторов были предки генов 7SL РНК. Однако повторы Alu и BI произошли непосредственно не от генов 7SL РНК приматов и грызунов, соответственно, а от некоторого общего гена-предка, который дуплицировался и дивергировал от генов 7SL РНК еще задолго до выделения филетических линий отрядов приматов и грызунов. Время этой дивергенции оценено ~ 260-106 лет назад, т.е. после разделения земноводных и млекопитающих. При этом предковый ген Alu и BI утратил существенную функциональную часть, которая наиболее консервативна у 7SL РНК. Небольшие инсерции (31 н.п. у Alu и 32 н.п. в BI) были; вероятно, приобретены после разделения грызунов и приматов.Оценка скоростей фиксации замен показала, что для генов 7SL РНК v = 2,2•10-10 замен на позицию в год, а для Alu и BI на порядок больше: v = 2,3•10-9 замен на позицию в год. Это согласуется с представлением об уменьшении функциональной нагрузки Alu и BI-повторов по сравнению с 7SL РНК за счет делеции консервативного функционального фрагмента. Величина скорости фиксации для Alu и BI близка к максимальной скорости нейтральной эволюции Vmax=5*10-9 для ДНК-геномов, что говорит о том, что существенная часть фиксированных замен могла быть нейтральной. Однако многие секвенированные Alu-повторы содержат различные функциональные сайты —промоторы РНК-полимеразы 111, энхансеры, сайты "затравки" обратной транскрипции и др., которые необходимы для транспозиции. Поэтому вряд ли эволюция Alu и BI полностью нейтральна. Alu-повторы человека распределены в геноме неравномерно, образуя кластеры. Шахмурадов и др. исследовали закономерности сходства повторов внутри и между кластерами. Оказалось, что имеется неслучайная гомология повторов и участков их встраивания, т.е. имеется своеобразное "притяжение" копий Alu к определенным зонам генома. Однако кластеры Alu-повторов неоднородны. Копии, входящие в один кластер, не всегда более сходны друг с другом, чем с копиями из других кластеров. Следовательно, рассеяние копий в геноме идет не по локальному принципу ,а скорее через общий пул ретропозонов от различных кластеров. Таким образом, филогенетический анализ последовательностей Alu-подобных МГЭ позволил высказать ряд важных соображений об их происхождении, дивергенции и характере их эволюции.

3. Роль горизонтального переноса генетического материала в эволюции генома

Наряду с транспозонами, не способными очевидно, существовать вне генома и образовывать свободные молекулы ДНК, описаны элементы, обнаруживаемые как в составе генома, так и вне его. Существование таких подвижных элементов дает возможность обсуждать роль горизонтального переноса генетического материала в эволюции генома.

Если описанные выше изменения структуры генома передаются из поколения в поколение организмов одного и того же вида, т.е. по вертикали, то горизонтальный перенос генетической информации может происходить и между организмами разных видов, одновременно существующими на Земле.

Горизонтальный перенос генов является главным источником инноваций, инструментом быстрого приобретения и возникновения новых генов, способных радикально изменить свойства клеток, расширить их адаптационный потенциал. Изменчивость организмов в результате горизонтальной передачи генов реализуется через различные каналы генетической коммуникации - процессы коньюгации, трансдукции, трансформации, процессы переноса генов в составе векторов - плазмид, вирусов, мобильных элементов. Активный перенос генов может происходить в симбиотических, паразитарных или ассоциативных системах, где осуществляется физический контакт клеток. В сущности, современная генетическая инженерия, использующая разного типа векторы, базируется на принципах горизонтального переноса генов, хотя еще недавно не было четкого понимания того, что такого рода генная инженерия широко распространена в природе и играет важную роль в эволюции. И только работы в области геномики в последние 10 лет доказали, что горизонтальный перенос генов был и остается (особенно в мире прокариот) одним из главных механизмов видообразования. Конечно, в ходе вертикальной эволюции повышалась степень автономизации организмов, возникали и совершенствовались барьеры, препятствующие горизонтальным генным переносам и "размыванию" геномов. Это касалось и ограничения контактов между организмами, механизмов проникновения и транспортировки молекул ДНК, действия систем рестрикции, разрушающих "чужую" ДНК, репаративных механизмов, обеспечивающих стабильность собственных геномов. Поэтому частота горизонтальных переносов была наиболее высокой на ранних этапах становления биосферы и снижалась по мере эволюции высших эукариот с усложнением организации генетического аппарата и развитием систем репродуктивной изоляции.

Горизонтальный перенос генов можно выявить по ряду показателей. Во-первых, по нуклеотидному составу ДНК (ГЦ-содержание), который является видоспецифичным признаком. Отличие в нуклеотидном составе отдельного сегмента от остальной части генома является указанием на присутствие "чужих" генов; иногда это целые кластеры, содержащие профаги, мобильные элементы, "островки" патогенности и т.д. Во-вторых, по частоте встречаемости в гене определенных кодонов. В генах каждого вида преимущественно используется ограниченный набор кодонов. Например, в гене gap у кишечной палочки содержится 20 лейциновых кодонов, но из 6 синонимичных триплетов кодон CTG встречается 19 раз, а кодон TTA только один раз. В гомологичном гене Bacillus subtilis кодон CTG вообще не используется, а преимущественно встречается TTA кодон. Таким образом, "чужие" гены легко обнаружить по отличию в частоте встречаемости кодонов. При этом, однако, надо учитывать, что в ходе длительной эволюции происходит амелиорация нуклеотидного состава, т.е. процесс унификации использования кодонов за счет мутаций и рекомбинации. "Чужие" гены становятся неотличимыми от своих собственных. Третий важный критерий - существенное отличие в положении анализируемого гена на филогенетическом дереве от большинства других генов. О "чужеродном" происхождении гена может говорить и высокая степень его сходства с гомологичным геном из отдаленного таксона при отсутствии подобного гена у филогенетически близких "родственников". Например, в случае, когда типично эукариотический ген вдруг обнаруживается у какого-то одного вида бактерий, а у других бактерий этого гена нет. На основе применения рассмотренных выше критериев можно достаточно легко выявить "вкрапления" в геном чужих сегментов ДНК, приобретенных в результате горизонтального переноса. Возможно три варианта переносов: 1) Приобретение нового гена, для которого нет гомолога в собственном геноме и в геномах филогенетически родственных организмов. В этом случае возникает принципиально новое качество; 2) Приобретение паралогичного (структурно похожего) гена с генетически отдаленным родством. В результате такого переноса увеличивается функциональное разнообразие белков в клетке; 3) Приобретение нового гена ксенолога, функционально замещающего свой собственный ген, который при этом, как правило, элиминируется. Новый и старый гены структурно различаются между собой, но обеспечивают аналогичные физиологические функции.

Какую выгоду может получить организм, приобретая чужой ген путем горизонтального переноса? 1) Новый путь биосинтеза или катаболизма, обеспечивающий организму преимущества в изменившихся условиях; например, появление способности утилизировать новый субстрат. 2) Повышение устойчивости к антибиотикам, токсинам, патогенам, подавляющим рост клеток данного вида; через горизонтальный перенос могут быть получены и гены, ответственные за средства "нападения", характерные, например, для патогенных микроорганизмов. 3) Замещение предсуществующих генов такими генами, продукты которых увеличивают эффективность функционирования клеточных систем: например, повышение термоустойчивости, резистентности к ингибиторам, оптимизация кинетических характеристик белка, интеграция в сложные комплексы и т.п. 4) Приобретенные гены могут оказаться и функционально нейтральными, дублирующими уже имеющиеся гены; такие дополнительные гены являются страховкой для организма в тех случаях, когда свой собственный ген будет поврежден мутацией или "замолчит" из-за нарушения в системах регуляции. Приобретение "чужих" генов может изменить направление эволюции вида, существенно повлиять на фенотип организма, на его способность к адаптации в экологическом сообществе. Новый ген может дать начало новой субпопуляции, которая способна вытеснить предсуществующий вид. Горизонтальный перенос генов способствует ускорению эволюционного процесса, по сравнению с градуальным накоплением мутаций или внутригеномными перестройками. Конечно, при этом не отрицается селективное значение мутационных утрат какой-то функции и важная эволюционная роль мутаций в генах, контролирующих стабильность генома (системы репликации, репарации, модификации ДНК и т.д.) и механизмы регуляции и координации генного действия. В таблице 1 приведены некоторые данные о горизонтальном переносе генов у прокариот, полученные при полногеномном анализе большого числа видов бактерий и архей. Эти сведения позволяют сделать ряд обобщений, касающихся закономерностей латерального генного переноса.

Табл. 1 Горизонтальный перенос генов у архей и бактерий

1) Доля латерально полученных генов варьирует у разных видов и может достигать 10-15% от общего числа генов в геноме . 2) Наибольшее количество переносов характерно для свободноживущих бактерий с широкими экологическими ареалами (почвенные бациллы, псевдомонады и др.). 3) Наименьшее число переносов обнаружено у большинства патогенных бактерий, живущих в узких эконишах; эти переносы, однако, весьма важны, так как определяют такие признаки как вирулентность и токсичность. 4) Переносы специфичны, поскольку приобретенный ген обнаруживается, как правило, только в клетках определенного вида или даже штамма. 5) Реже всего в горизонтальные переносы вовлечены гены информационных систем (транскрипции, трансляции, репликации), составляющие базовый геном. Продукты этих генов входят в сложные белковые комплексы, где "чужие" белки не встраиваются или не функционируют. Исключением являются гены, кодирующие аминоацил-тРНК-синтетазы, что связано с особенностями работы изоакцепторных транспортных РНК. 6) Чаще всего в горизонтальном переносе участвуют гены операционных систем, обслуживающих метаболизм, транспортные пути, механизмы сигнальной трансдукции. У многих бактерий среди латерально привнесенных генов большую долю составляют функционально неизученные гены и гены, не имеющие сходных ортологов в реципиентном организме. 7) В составе приобретенных сегментов ДНК часто обнаруживаются профаги, плазмиды, кассеты резистентности, гены белков, участвующих в процессах сайт-специфической и "незаконной" рекомбинации, обеспечивающей интеграцию "чужих" генов. В большинстве случаев трудно определить, какие конкретно организмы могли быть донорами в горизонтальном переносе, поскольку сравнительная геномика дает информацию, в основном, о степени сходства гомологичных генов в разных геномах. Только в случае филогенетически близкородственных видов или штаммов (например, для двух штаммов с разной степенью вирулентности) можно предположительно судить о приобретении или утрате определенного участка генома. В переносах же между представителями разных царств невозможно определить природу первичного донора и реципиента даже в случаях предполагаемого переноса признака термофилии от архей в клетки бактерий. Косвенно о направлении такого переноса можно судить только тогда, когда у многих видов архей какие-то гены встречаются часто, но обнаруживаются в геноме только одного или весьма ограниченного числа видов бактерий. В частности, на этом основании говорят о возможном переносе генов из термофильных архей в клетки предшественников современных термофильных видов бактерий Thermotoga maritima и Aquifex aeolicus. У этих бактерий около 15% генома составляют типично архейные гены, которых нет у других бактерий. Это пример адаптивного переноса генов, хотя неясно обеспечил ли он этим бактериям завоевание новой экологической ниши, или перенос произошел вследствие контактов клеток бактерий и архей в общей эконише. По критериям гомологии на геномном уровне горизонтальные переносы генов легко выявляются не только у прокариот, но и у эукариот, в ядерном геноме которых немало генов бактериального или архейного происхождения. Это результат перемещения в ядро генов из митохондрий или хлоропластов, возникших на базе прокариотических геномов, претерпевших редукционную эволюцию. Обсуждается и другая причина мозаичного строения ядерных геномов эукариот - за счет интеграции чужеродных фрагментов ДНК, поступающих с пищей, например, при поедании бактерий протистами. Геномный анализ показал, что горизонтальный перенос генов может происходить и в обратном направлении - от эукариот в клетки прокариот. Это возможно в условиях тесных физических контактов в симбиотических или паразитических системах, при наличии челночных векторных переносчиков. Например, предполагается, что донором эукариотического гена термоустойчивой аминоацил-ТРНК-синтетазы у археи Pyrococcus могли быть полихеты. В геноме патогенных бактерий риккетсии и хламидии обнаружено около 20 эукариотических генов. Среди них несвойственные прокариотам гены белков, транспортирующих АТФ и АДФ. Эти транспортные системы позволяют патогенным бактериям "выкачивать" энергию из клетки хозяина, не затрачивая собственные ресурсы. Другие эукариотические гены, приобретенные патогенными бактериями путем горизонтального переноса, обеспечивают "нападение" на клетку хозяина - это ферменты протеолиза, ингибиторы иммунного ответа, рецепторные белки, облегчающие патогенам проникновение в клетку хозяина. Подобного рода горизонтальные переносы генов, по-видимому, происходили сравнительно недавно в процессе превращения непатогенных штаммов в патогенные. Характерно, что у риккетсии (возбудителя тифа) немало генов гомологичных генам животных, а в геноме хламидии (возбудителя трахомы) больше генов, типичных для растений . Это указывает, во-первых, на различия в путях горизонтального переноса у этих филогенетически далеких друг от друга бактерий, а во-вторых, позволяет предполагать, что предки хламидии были сперва паразитами растений, а затем уже переключились на животных. Не исключено, что переносы генов патогенности шли между риккетсиями и хламидиями, живущими в одной экологической нише в организме млекопитающих. Поскольку гены являются сложными структурами и содержат различные домены, ответственные за разные функции в белковом продукте, то, очевидно, что через горизонтальный перенос могут передаваться не только целые гены или блоки генов, но и фрагменты генов, содержащие отдельные домены. Гены как дискретные единицы могут элиминироваться, но их домены в результате рекомбинационных событий становятся сегментами других генов или участвуют в образовании новых генов. Таким образом, в геномном анализе важно определять не только степень гомологии целых генов, но и наличие доменов в необычных сочетаниях. Встраивание нового домена может менять локализацию белкового продукта в клетке, узнавание и передачу сигналов, и многие другие характеристики, влияющие на физиологическую функцию гена. Выявлено более 40 случаев появления "чужих" доменов, приобретенных сравнительно недавно и еще не подвергшихся амелиорации в составе генов, кодирующих различные белки. В частности, это домены, ответственные за белок-белковые и ДНК-белковые взаимодействия, т.е. участвующие в сборке сложных комплексов или в регуляции действия генов. Как правило, происходит рекомбинационное слияние домена из латерально привнесенного гена с резидентным геном, причем партнерами могут быть и филогенетически отдаленные организмы. В сущности, это то, что соответствует задачам генной и белковой инженерии по искусственному созданию белков с новыми свойствами. Поэтому так важно выяснить механизмы перекомбинации доменов, лежащие в основе возникновения новых генов (и новых видов организмов) в результате горизонтального переноса генов. Суммируя представления о роли горизонтального переноса генов в биологической эволюции можно сделать следующее заключение: Во-первых, геномика не дает информации о том, какие конкретные виды организмов были первичными донорами генов. Обнаруживаемые в геномах чужеродные гены могли попасть туда через цепочку промежуточных хозяев. Согласно схеме Ф.Дулитла, автора термина "Латеральная геномика", на самых ранних этапах эволюции существовало общее генное "коммунальное хозяйство" в неустоявшихся предковых клетках, между которыми происходил активный горизонтальный обмен генами. В этот период шло накопление генетической информации с последующей автономизацией клеток, давших начало отдельным таксономическим линиям. Картина эволюционных связей в мире предковых прокариот представляла собой не столько ветвящееся дерево, сколько своего рода мицелий с переплетенной сетью горизонтальных переносов в самых разнообразных и неожиданных направлениях, диктуемых возможностями физических контактов клеток в общих или перекрывающихся экологических нишах. Поэтому и геномы прокариот и эукариот мозаичны. Данные геномики позволяют утверждать, что в ходе эволюции происходили массивные генные переносы как внутри царств, так и между ними.

Характеристики

Список файлов курсовой работы