12081 (761160), страница 2
Текст из файла (страница 2)
И, самое поразительное и обнаруженное совсем недавно: точечные мутации (случайные изменения нуклеотидов) в экзоне могут приводит к изменению пути его стыковки с другими экзонами, иначе говоря, изменение буквы в слоге может вести к изменению пути его соединения с другими слогами. Случайная точечная („буквенная“) мутационная изменчивость приводит к изменчивости более высокого уровня — к изменчивости пути комбинированеия субсмысловых блоков. Разумеется, это в значительной мере уменьшает время случайного перебора, необходимое для образования новых функций [14].
Как же идёт „прогрессивная эволюция“ мозаичных эукариотных генов? Самое очевидное предположение — путём увеличения степени их мозаичности…Чем более примитивен организм — тем меньше в его „типичном“ гене должно быть экзонов и интронов. Именно так и пишут в учебниках [15]. А как же иначе? Ведь у примитивных одноклеточных дрожжей 95% всех генов вообще не мозаичные (интронов не содержат), у грибов большинство генов имеют по 2–3 интрона, у червя, в среднем, по 4 интрона, у млекопитающих по 7–8.
А организмы, которые жили миллиарды лет тому назад, в те „баснословные года“, когда древо жизни ещё не расщепилось на царства животных и растений? Какие гены имел организм, который был в точке ветвления? Ответ удивительный. Почти такие же сложные, как у „венца“ эволюции. Общий предшественник червей, насекомых и хордовых имел в генах такое же количество интронов, какое сейчас содержится в человеческих генах [16,17]. В процессе эволюции происходили массовые утраты интронов, что и привело к тем средним количествам интронов, о которых справедливо говорится в учебниках.
Какой же молекулярно-генетический „Большой Взрыв“ на ранних стадиях эволюции создал у „простых“ организмов сложнейшие мозаичные гены, нуждавшиеся для своей экспрессии в энерго- и материалоёмких механизмах сплайсинга? Действительно ли прогрессивная эволюция, приводящая к усложнению, может идти от сложного к простому? Если это так, нас могут ожидать удивительные открытия. Например того, что у древнейших организмов уже были (зарезервированы на будущее?) сложнейшие гены, которые находились в молчащем („свёрнутом“) состоянии. Того, что прогрессивная эволюция — это процесс — постепенной реализации (распаковки) ранее образовавшейся (или заложенной?) генетической информации. Может быть, именно в этом ответ на мучительную загадку, почему у амёбы длина генома в 200 раз больше, чем у человека (об этом ниже).
Итак, путь прогрессивной эволюции направлен:
— от простого воспроизведения рибозимов, увеличивающих их количество, к увеличению их длины за счёт дупликаций и дивергенции их генов за счёт субфункционализации.
— от случайного перебора нуклеотидов, к случайному перебору экзонов, кодирующих субсмысловые модули.
Весьма принципиально, что случайно образовавшиеся дупликации подвергаются случайному мутационному процессу, влияющему на исходно одинаковые функции обоих генов. А действие отбора, направленного на поддержание исходной общей функции, приводит к дивергенции функций дуплицированных генов. Это ведёт к тому, что если до дупликации один ген выполнял определённую функцию, то после дупликации и мутационного процесса эту необходимую функцию могут выполнять уже два гена и только совместно, но не порознь. Это приводит к весьма важному и новому для теории эволюции выводу: прогрессивная дивергентная эволюция происходит без изменения условий среды, а в результате постоянно идущих случайных мутационных процессов, главную роль в которых играют спонтанные дупликации генов (и геномов). Отбор, который при этом действует, является ни направляющим, ни дизруптивным [18], но очищающим (purifying) от вредных мутаций (от шума).
Прогрессивная эволюция, сопровождающаяся усложнением, не имеет адаптивного (по отношению к окружающей среде) характера. Это весьма неожиданное и принципиальное положение было сформулировано совсем недавно [19].
Разумеется, такое „прогрессивное“ усложнение должны быть „совместимым с жизнью“, о тех случаях, когда оно было летальным, мы не узнаем никогда. И, разумеется, после такого „усложнения“ направляющий или дизруптивный отбор подгоняет (адаптирует) организмы к конкретным условиям окружающей среды. [16].
На протяжении последних 4 млрд лет условия на Земле всё время менялись, крайне любопытно было бы взглянуть, какими бы мы были, если б прогрессивная эволюция шла в стационарных, не изменяющихся условиях среды.
При рассмотрении экзон-интронной структуры эукариотных генов мы впервые столкнулись с вопросом, а может ли в эволюции существовать то, что не имеет смысла? Для чего организмам, жившим ещё до разделения животных и растительных царств, были нужны такие сложные гены?
А жизнь, как с холодным вниманьем посмотришь вокруг,
Такая пустая и глупая шутка.
Лермонтов
Самая обескураживающая шутка, которую эволюция сыграла над человеком — это количество генетической информации, которое имеет амёба. Ибо одноклеточная амёба имеет количество ДНК, в 200 раз большее, чем у „венца“ эволюции, т. е., у Homo sapiens. У амёбы в ДНК около 600 млрд букв (нуклеотидов), у нас — 3 млрд. Ну зачем ей столько? И что там написано? А написаны там (миллионы раз!) одно или несколько „бессмысленных слов“. И с современной точки зрения они ничего не значат.
Действительно, 99% генома человека не кодирует белков, эти не кодирующие последовательности представлены не только интронами и межгенными областями, но, преимущественно, разными типами многократно повторяющихся генетических последовательностей длиной примерно в 10, 100, 1000 и более нуклеотидов. Эти повторы могут быть расположены непрерывно друг за другом (локализованные), или быть рассеяны по геному по одиночке (диспергированные).
Согласно механизмам происхождения этих повторов, их разделяют на: т. н., сателлитную ДНК (которая может образовываться при определённых ошибках репликации) и на т. н., ретропозоны, которые образуются из-за ошибок обратной транскрипции, когда происходит случайный и ошибочный синтез ДНК на матрице РНК. После массового увеличения количества копий такого случайно образовавшегося из РНК „бессмысленного гена“ происходит случайное встраивание множества его копий в случайные участки генома. И, более того, ретропозоны. находящиеся в геноме, являются мобильными генетическими элементами, они могут перемещаться по геному.
Если при этом нарушаются жизненно важные функции — организм погибает, если нет — выживает с грузом „бессмысленной“ или „мусорной ДНК“. Именно так её и называют — junk DNA, другое её название имеет оттенок „нравственной“ оценки — „эгоистическая“ — selfish DNA, она существует (размножается вместе с функциональными генами) только для себя и организму ничего полезного не даёт. Ещё одно её название — parasitic DNA, говорит само за себя. Действительно, клеткам приходится тратить значительные ресурсы для воспроизведения бессмысленной ДНК, доля которой иногда может достигать более, чем 90%. Для того, чтобы, по крайней мере, минимизировать возможное вредное влияние этой паразитической ДНК, она плотно запрятана (сконденсирована) в неактивных зонах хромосом (в гетерохроматине). Похоже, что гетерохроматин в основном и нужен для предотвращения вредного влияния паразитической ДНК. Из этого следует, что принцип „максимум эффективности (жизнеспособности) при минимум затрат“, — для эукариотных организмов не справедлив. Они, согласно текущим представлениям, без видимых вредных для себя последствий выдерживают огромный груз присутствия в своем геноме бессмысленных последовательностей ДНК. Но так ли они бессмысленны?
Может, мы чего-то просто не хотим видеть? Например, того, что практическая неспособность организмов избавиться от паразитической ДНК и стать максимально эффективными является ещё одной причиной того, что мы называем прогрессивной эволюцией? Которая идёт от случайного накопления бессмысленных усложнений к естественному отбору случайных осмысленных изменений, направленных на то, чтобы скомпенсировать вредное действие бессмысленных. Но почему эукариоты, в отличие от прокариот, не смогли избавиться от бессмысленного груза генетической изменчивости? Разве на них не действовал естественный отбор, отсекающий не эффективных „от праздника жизни?“
Обескураживающий факт, что взаимосвязь между количеством ДНК, cодержащейся в геноме организма и его эволюционной сложностью отсутствует, был назван „парадоксом содержания ДНК“ (C-value paradox, от С — content). Этот парадокс не разгадан и сегодня [20].
Попытки его объяснить заставляют либо отказаться от интуитивных представлений о „разумности строения живого“, либо предполагать, что в молекулярно-генетических механизмах существует какое-то совершенно неизвестное нам измерение. Что на самом деле мы видим только внешние и доступные нашему примитивному разуму механизмы жизни. Но успехи генной инженерии по созданию вполне жизнеспособных трансгенных организмов вроде бы подтверждают, что мы более-менее правильно представляем себе, как устроены и как работают гены и геномы.
Хотя, справедливости ради, отметим, что в последнее время появляются факты, что и бессмысленная ДНК может иногда иметь какой-то смысл. Например, известны случаи, когда в повторяющемся элементе, находящемся внутри интрона, присутствуют нуклеотидные последовательности, которые изменяют путь стыковки экзонов и, тем самым, создают новый белок, т. е., новую функцию.
Много фактов говорят о том, что множество молекул РНК, являющихся копиями „бессмысленной ДНК“, выполняют регулирующую роль — они управляют работой генов, в частности, при развитии организмов (при дифференцировке клеток). Недавно появились данные, что некоторые изменения в „бессмысленной ДНК“ приводят к т. н., эпигенетическим эффектам, т. е., к модификации функции генов, не сопровождающейся изменением их нуклеотидной последовательности. [21].
Но в данный момент с уверенностью можно сказать, что только от 1 до 10% ДНК эукариот имеют (понятный нам) смысл. Остальная ДНК, видимо, во-первых, не несёт существенных функций, во-вторых, не нарушает, (по крайней мере, существенно) жизнеспособности организма. Она „бессмысленна“, но не смертельно. И в третьих, тем не менее, как это ни парадоксально, именно „эгоистическая и бессмысленная“ ДНК существенно предопределяют пути „прогрессивных“ эволюционных изменений. [22–23].
Когда б вы знали, из какого сора
Растут стихи, не ведая стыда
Ахматова.
Да может ли это быть, чтобы изменения „бессмысленной ДНК“ направляли эволюцию жизни? В чём же тогда её, Жизни, смысл?
При случайной вспышке массового образования „бессмысленной ДНК“ (а это может произойти или из-за случайной многократной репликации одного и того же участка ДНК, или при случайной многократной обратно транскрипции РНК и интеграции множества образовавшихся ретропозонов в геном), происходит столь коренное изменение генома, что если оно не приводит к летальному исходу, то к образованию нового биологического вида. Основная характеристика биологического вида — репродуктивная изоляция — способность продуктивно скрещиваться только с особями своего вида и неспособность давать плодовитое потомство при скрещивании (если оно всё же происходит) с представителями других видов. Один из многих механизмов репродуктивной изоляции основан на отсутствии необходимого довольно высокого уровня сходства (гомологии) между геномами (хромосомами) скрещивающихся особей. При образовании оплодотворённой зиготы, пары хромосом, каждая из которых исходно принадлежала одному и родителей, должны быть гомологичными и способными к рекомбинации (обмену участками ДНК между собой). Если этого нет, например, из-за того, что в хромосоме (или хромосомах) половых клеток одного из родителей произошли крупные блочные перестройки — нормального развития зиготы чаще всего не происходит. В весьма редких случаях, в результате геномных перестроек, произошедших в зиготе и вызванных несходством родительских хромосом, всё же могут образовываться жизнеспособные потомки, которые наиболее эффективно скрещиваться смогут только со своими братьями и сёстрами, имеющими сходные хромосомы. Похоже, что именно так и происходит видообразование. Близкородственные виды почти не отличаются между собой по „смысловым“, кодирующим участкам ДНК, но весьма различаются именно по „не смысловым“. Формирование крупных блочных перестроек генома, вызванное массовым образованием повторяющихся последовательностей ДНК, иногда называют форматированием генома. Скрещиваться могут только организмы с геномами одного и того же формата. И эволюция, образно говоря, это совместимое с жизнью переформатирование геномов за счёт случайного изменения качества, количества и расположения „пробелов“ бессмысленной ДНК. Естественный отбор после этого сначала удаляет не жизнеспособные варианты, а выжившие переформатированные подгоняет к более эффективному существованию в конкретных условиях окружающей среды.
А в целом похоже, что эволюция — это процесс:
— случайных дупликации генов, приводящий из-за возникновения мутаций к их субфункционализации, т. е., к дифференциации их функций и, в итоге, к усложнению,
— случайного массового образования не кодирующей („бессмысленной“) ДНК, приводящий к видообразованию, и:
— естественный отбор, нежизнеспособные формы удаляющий, а жизнеспособным. благоприятствующий.
Но почему естественный отбор не удаляет те варианты, у которых много паразитической ДНК? Ведь без неё у клеток (организмов) были бы куда меньшие затраты на поддержание „бессмысленной ДНК“ и куда большие шансы на эффективное размножение?
Ответ совершенно неожиданный. Естественному отбору для удаления „бессмысленной ДНК“ просто не хватает времени, а популяции, её несущей — астрономической численности. Случайное образование множественных копий „бессмысленной ДНК“ событие хотя и крайне редкое, но „одномоментное“. В результате единичного события в геноме могут возникнуть десятки тысяч мутаций (новых копий паразитической ДНК), а их удаление (путём делеций) может происходить только постепенно, каждая копия может удаляться индивидуально и независимо от других. Если предположить, что вероятность утраты каждой из, например, 1000 копий „бессмысленной ДНК“ 1 × 10 –7, то вероятность утраты всех копий — 1 × 10 –7000. Иначе говоря, чтобы в популяции случайно возник вариант, утративший всю „бессмысленную ДНК“ её численность должна составлять 10 7000 особей. Число атомов во Вселенной — примерно 10 77.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
