Льюин (Левин) - Гены - 1987 (947308), страница 117
Текст из файла (страница 117)
Убедительный пример такого рода-нммуноглобулины, кодируемые генами, каждый экзон которых точно соответствует определенному функциональному домену белка (гл. 39). Имеются и другие примеры, когда экзоны соответствуют определенным белковым функциям. Часто первый экзон, кодирующий Н-концевую часть полипептида, соответствует области, содержащей сигнальную последовательность, участвующую в мембранной секреции. Пример такого рода — инсулин. Иногда процесс эволюционирования гена может включать и дупликацию зкзонов, в результате которой в составе белка оказываются повторяющиеся последовательности. Например, в гене коллагена цыпленка экзон размером 54 п.н., по-видимому, повторяется несколько раз. (В то же время в гене коллагена Р.
гле1аподакгег имеется только два больших экзона.) В некоторых случаях можно обнаружить экзоны, кодирующие участки, включающие место соединения двух доменов белка. Примеры такого рода обнаружены для коллагена. В случае гена алкоголь-дегидрогеназы (АДГ) Р. те(алодазгег имеется любопытная двойственность, когда одни экзоны точно соответствуют доменам белка, в то время как другие кодируют одну из двух частей домена.
~известно несколько интересных случаев, когда гомо- логичные гены имеют разную структуру. Это может дать 20. Структурные гены: внутренняя организация 265 К окрумозз оооо Оозз. зоз ооз К З„РЗ Щ К К КЗЗМЗ ооооззозз- оооо з зо о мк аозз П ЗЗР З о Зоззоул оомз ззк (обкзрук зззммк и П зоо Дзозз Р -- — — — — — — — — -+ ВзоРРО к озлкко О кЗ« омом Рнс. 20.25. Ипсулпновый геп крысы, содержащий олин патрон„ произошел от гена-предка с двумя иптропамн в результате по- тери одного из этих интропов.
информацию об их эволюции. Примером такого рода служит инсулин. Млекопитающие и птицы имеют только один инсулиновый ген, кроме грызунов, у которых два гена. На рис. 20.25 приведено строение таких ~снов. Единственный инсулиновый геи курицы содержит два интрона; один из двух генов крысы имеет аналогичную структуру. Наличие такого сходства структуры указывает на то, что инсулиновый ген-предок содержал два интрона. Однако в состав второго инсулинового гена крысы входит только один интрон. Этот ген,по-видимому, произошел от первого в результате процесса, при котором за дупликацией гена у грызунов последовало точное удаление интрона из одной копии. Прекрасный пример эволюционной стабильности демонстрируют глобины, все гены которых содержат трц экзона. Два интрона занимают постоянные положения относительно кодируюшей последовательности.
Центральный экзон, по-видимому, соответствует связывающему гем домену полипептидной цепи глобина. Активный белок представляет собой тетрамер, содержащий две глобиновые цепи а-типа и две цепи б-тигза. Возможен иной взгляд на эту структуру, связанньш с существованием двух других типов белков, родственных глобину. Миоглобин — связывающий кислород белок-мономер животных, аминокислотная последователыюсть которого позволяет предположить наличие общего (хотя и древнею) происхождения с субъединицами глобина. Леггемоглобины — это связывающие кислород белки бобовых растений, так же как н миоглобин, являющиеся мономерами.
Они также могут иметь общее происхождение с другими белками, связывающими тем. Гены пюбинов миоглобина и легглобинов вместе образуют глобиновые суперсемейство — набор ~снов, происшедших от общего предка. Гены леггемоглобина содержат три интрона, причем локализация первого и последнего по отношению к кодирующей последовательности гомологична локализации двух интронов глобиновых генов.
Такое удивительное сходство указывает на то, что гены, кодирующие гем-содержащие белки, с весьма древних времен имеют прерывистое строение, показанное на рис. 20.2б. Центральный интрон гена леггемоглобина разделяет два экзона, которые вместе кодируют последовательность, соответствующую одному центральному экзону глобинового гена.
Мог ли центральный экзон глобинового гена образоваться путем слияния двух центральных зкзонов гена-предка, т.е. объединения последовательностей, кодирующих две части белковой цепи, вместе образующие структуру, связывающую тем? В свете этого Доме озкзмозккк Гзмз Экзо и РРО Экзок ~ г ККРК 2 Э зо з л ззмз Рпс. 20.26. Экзопная структура генов глобина соответствует функции белков, по в центральном домене лезтемогхобпна имеется дополнительный патрон. определение структуры гсна миоглобина, возможно, даст интересную информацию. Соответствие по крайней мере некоторых экзонов белковым доменам подтверждает предположение о том, что оно имеет фундаментальное значение в эволюции генов.
Ясно, что дупликации и слияние экзонов могли играть важную роль в эволюции. Мы не можем проследить за действительными событиями, проишедшими в ходе эволюции каждого гена. Имеется несколько примеров взаимоотношений между экзонами и белковыми доменами, когда отсутствует их простое соответствие, но это можно объяснить тем, что такие события, как слияние экзонов, изменили структуру гена-предка в процессе эволюции ядерных генов. Однако в ряде случаев мы сталкиваемся с большими несоответствиями между структурами генов и белков.
Митохондриальные гены дрожжей и млекопитающих кодируют практически идентичные митохондриальные белки, несмотря на существенные различия в организации генов. Геном митохондрий позвоночных очень мал и имеет чрезвычайно компактную организацию нерасщепленных генов (гл. 22), тогда как митохондриальный геном дрожжей имеет большие размеры и включает ряд сложных прерывистых генов.
Какая форма гена была исходной? Противоречит ли наличие интронов в геноме митохондрий дрожжей предположению о том, что митохондрии появились в результате возникшего в древности симбиоза, ко~да прототип бактерии был встроен в цито- плазму эукариотической клетки? Нет, если предположить, что такое встраивание предшествовало потере интронов прокариотами, хотя при этом мы должны допустить независимую потерю способности к удалению интронов при эволюции бактерий и митохондрий позвоночных. По-видимому, генам рРНК и тРНК свойствен полиморфизм, так что часто можно обнаружить разные формы генов, как содержащие, так и не содержащие интроны. В случае тРНК, когда все молекулы имеют одну сходную в общих чертах структуру, кажется маловероятным, что в результате эволюционного процесса произошло объединение двух участков гена.
Ведь для спаривания оснований используются разные облает.и молекулы, что имеет важное значение для создания определенного типа ее структуры, так что, возможно, в этом случае интроны были встроены в нерасщепленные гены. 266 Часть У. Строение генома эукариот Рекомендуемая литература Строение прерывистых генов полробно рассматривается в кнпге Б. Льюнна (Еее(п В., Оепе ехргеяа!оп, 2, Епсагуойс сйгопюзогпез, %!!еу, Хечч т'ог)г, 1980, рр.
790-847). Некоторые, более новые представления приводятся в журнале Се1! (22, рр. 645-646, !980). Первый содержательный обзор, посвященный структуре генов, со времени обнаружения прерывистых генов написан Брет- пахом и Шамбоном (Вгеа0тас!Ь Сйатьол, Апп. Кеч. Вюсйет., ч.
50, рр. 349 — 383, 1981). Биологии Ьййогах посвящен обзор Лоренса ((лвтепсе, Се11, 35, рр. 595- 601, 1983), а первым попыткам исследовать его молекулярные свойства-статья Бендера (Вепг)ег, Бс!енсе, 221, рр. 23-29, 1983). Гомео-бокс был открыт Мак-Гиннисом и др.
(Мсо!лл!я ег а!., Се!1, 37, рр. 403-408, 1984), а также Карраско и др. (Саггаасо е! а1., Се!1, 37, рр. 409 — 414, 1984). Часть Ч! КЛАСТЕРЫ СХОДНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ДНК б генетической программе, таким образом, записан результат воспроизведения всех прошлых поколений. Это своего рода коллекция успехов, поскольку все следы неудач исчезли. Генетическая информация, программа жизнедеятельности современного организма, похожа на текст без автора, который корректор исправлял на протяжении более чем двух миллиардов лет, постоянно улучшая, очищая и дополняя его, постепенно устраняя все изъяны. Франсуа Жакоб, 1973 Г 21 СТРУКТУРНЫЕ ГЕНЫ: ОРГАНИЗАЦИЯ РОДСТВЕННЫХ ГЕНОВ В настоящее время появляется все больше оснований считать, что лишь немногие гены присутствуют в эукариотическом геноме в виде единственной копии. Несмотря на то что большинство генов при гибридизации в растворе ведет себя как последовательности неповторяющейся ДНК, при более детальном их исследовании с помощью выделения соответствующих фрагментов генома обычно обнаруживаются другие последовательности, сходные с экзонами этих генов.
Иногда такие последовательности представляют собой функционирующие гены, в большей или меньшей степени дивергировавшие в процессе эволюции; иногда это нефункционирующие псевдогены, реликты эволюции, происшедшие от генов, когда-то, по-видимому, функционировавших, но теперь ставших неактивными, накопившими значительное число мутационных изменений. Рассматривая структуру прерывистых эукариотических генов, иногда занимающих весьма протяженные участки ДНК, можно представить себе эукариотический геном как море интронов (нуклеотидные последовательности которых в большинстве случаев, но не всегда, уникальны), в котором растянутые вереницей островки экзонов (иногда очень короткие) образуют отдельные архипелаги, представляющие собой гены.
Сопоставляя соответствующие друг другу экзоны в родственных генах, можно обнаружить их сходство, что подчеркивает важную роль дупликаций в эволюции генов как механизма образования новых генов. Одна из копий может эволюционировать в результате мутаций, тогда как другая сохраняет свою первоначальную функцию, так что, по-видимому, история гена складывается из ряда событий, начинающихся с объединения экзонов, составляющих ген, с образованием кодирующего участка; вполне возможно, что позже вся группа экзонов и интронов, формирующих ген, дуплицировалась. За дупликацией могла последовать относительно небольшая дивергенция нуклеотидных последовательностей экзонов и более значительная дивергенция последовательностей интронов. Таким образом, нуклеотидные последовательности родственных генов позволяют нам восстановить историю их эволюции, Набор ~снов, происшедших путем дупликаций и изменений от некоторого гена-предка, называется семейством генов.
Члены одного семейства могут быть расположены рядом или разбросаны по разным хромосомам )или их расположение может представлять собой сочетание этих двух вариантов). Кластеры генов имеют различную организацию — начиная от ситуации, когда в результате дупликации возникают два расположенных рядом сходных гена, до случаев, когда сотни идентичных генов расположены в виде тандема. Ситуации, при которых родственные гены разбросаны по разным участкам генома, по-видимому, возникли в результате транслокации, происшедшей уже после дупликации. Члены одного семейства структурных генов имеют сходные или идентичные функции, хотя они могут экспрессироваться в разное время или в клетках разных типов. В случаях когда имеется высокая тандемная повто- ряемость гена или ~снов, продукты их экспрессии требуются в необычайно больших количествах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
