Льюин (Левин) - Гены - 1987 (947308), страница 121
Текст из файла (страница 121)
(Оба гена присутствуют в геноме в виде двух неидентичных копий, что, возможно, объясняется тетраплоидизацней генома организма-предка.) Поскольку амфибии отделились от ветви млекопитаюшие-птицы около 350 млн. лет назад, время разделения генов а- и )3-глобинов, произошедшего предположительно путем транспозиции, можно приблизительно отнести к раннему периоду эволюции позвоночных. В случае организмов, находяшихся на предыцушей стадии эволюционного развития, мы пока располагаем данными только о белковых цепях, но не о генах.
У некоторых кпримитивных» рыб имеется только один тип глобиновых цепей, так что они, по-видимому, отделились от обшего эволюционного пути еше до дупликации глобинового гена-предка, которая привела к образованию его а- и )3-вариантов. Скорее всего это произошло около 500 млн. лет тому назац в процессе эволюции костных рыб. 21.
Структурные гены: организация родственных генов 275 Можно проследить и более ранние этапы эволюции глобиповых генов, поскольку последовательность аминокислот единственной цепи миоглобнна млекопитающих свидетельствует о том, что он отделился от пути эволюции глобинов примерно 800 млн. лет назад. Мы все еще не располагаем данными об этом гене.
Ген леггемоглобина растений, имеющий сходство с глобнновым геном, отделился еще раньше (гл. 20). Ди вергенпня ну клеотидных последовательностей указывает на различие путей эволюции организмов Большинство изменений в амннокислотной последовательности белков обусловлено мутациями небольших участков генома, медленно накапливающимися с течением времени. Точковые мутации и небольшие вставки н делецин возникают случайно, по-видимому, с более или менее равной вероятностью во всех участках генома, за исключением агорячих точек», где частота мутирования существенно выше. Многие мутации, изменяющие аминокислотную последовательность, оказываются вредными и довольно быстро отбрасываются в ходе естественного отбора (скорость этого процесса зависит от степени повреждающего эффекта). Меньшее число мутаций оказывается полезным, но эти мутации могут распространиться в популяции и в конце концов вытеснить исходную нуклеопщную последовательность.
Когда мутантный вариант гена вытесняет исходный, говорят, что мутация закрепилась в популяции. Очень спорный вопрос: какая доля мутационных изменений в аминокислотной последовательности может оставаться нейтралыюй, т.е. не оказывать действия на функцию белка, н поэтому может накапливаться в результате случайно~о дрейфа и закрепления? Скорость накопления мутационных изменений является характерной особенностью каждого белка, вероятно зависящей (по крайней мере частично) от его чувствительности к изменениям.
В пределах вида белок эволюцнонируег в результате мутационных замен, которые удаляются нли закрепляются в популяции. Присутствие в популяции двух (или более) аллельных вариантов называют иолиморфизмом. Такая ситуация (полиморфизм) может быть стабильной в двух случаях; 1) если ни один из вариантов не имеет преимущества перед другим, 2) если преимущества какого-либо варианта уравновешиваются его недостатками.
Полиморфизм может быть и временным-как, по-видимому, в том случае, когда один вариант вытесняется другим. При тщательном изучении пула генов того или иного вида мы обнаруживаем только уцелевшие варианты. При разделении одного вида на два новых каждый из них образует самостоятельный эволюционный пул. Сравнивая соответствующие белки двух видов, можно выявить различия между ними, накопившиеся с гаага времени, когда их предки перестали сирен)иеатъся между собой. Некоторые белки высококоисервативиы и мало меняются нли не меняются от вида к виду. Это говорит о том, что практически любые изменения оказываются вредными и отбрасываются при естественном отборе. Различия между двумя белками выражаются как их дивергенция, т.
е, процент различающихся аминокислотных остатков. При сравнительном изучении опреде- ленного белка у нескольких видов его дивергенция для каждой пары сравниваемых видов пропорциональна (более или менее) времени, прошедшему с момента их разделения. Тем самым мы получаем эволюционные часы, измеряющие, по всей видимости, равномерное накопление мутаций в процессе эволюции данного белка.
Скорость дивергенции может быть измерена как процент различий, накопившихся за миллион лет, или обратной величины — единицы эволюционного времени (ЕЭВ), соответствующей времени (в миллионах лет), необходимому для осуществления дивергенции на 1~,'. Понятие ачасы», принятое в отношении попарного сравнения видов (с учетом практических трудностей при определении действительного времени видообразования), можно распространить и на родственные гены внутри одного вндв Зная дивергенцию таких генов, можно вычислить время, прошедшее с момента их возникновения в результате дуплнкации.
Два типа дивергенций последовательностей ДН К Дивергенция нуклеотидных последовательное~ей нуклеиновых кислот может отличаться от днвергенции соответствующих белков. Различия эти могут быть обусловлены тем, что каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотндных оснований, где ~ретье основание часто не является значащим. Поэтому необходимо разделить нуклеотиды на потенциальные сайты замещения и молчащие сайты, Мутация в сайте замещения приводит к изменению аминокислоты, кодируемой данным триплетом. Эффект мутации (вредной, нейтральной или полезной) зависит от результата, к которому приводит замена аминокислоты. Мутация в молчащих сайтах приводит лишь к замене одного синонимичного кодона на другой, и, следовательно, изменения белка при этом не происходит, Как правило, сайты замещения составляют 755,' кодируюших последовательностей, а молчащие сайты -25;.;,.
Несмотря на то что мутации молчащих сайтов нейтральны по отношению к белку, они могут влиять на экспрессию гена, вызывая изменения нуклеотидных последовательностей РНК. Это может привести к изменению вторичной структуры РНК, отражающейся на транскрипции, процессинге илн трансляции.
Другая возможность заключается в том, что изменение кодона на кодаи-синоним потребует наличия другой тРНК, что может повлиять на эффективность трансляции. И наконец, кроме кодируюших последовательностей гена имеются и нетранслируемые участки. Мутации в этих участках также потенциально нейтральны, не считая их влияния на вторичную структуру или регуляторные области (обычно довольно короткие).
Мутапии в сайтах замещения должны были бы соответствовать дивергенцни аминокислот, которая фактически выражается как процент замен. В действительности подсчитанная дивергенция не отражает всех происшедших в процессе эволюции изменений, поскольку в одном кодоне могло произойти несколько замен. Обычно на это делается поправка. Без поправки дивергенция нуклеиновой кислоты по сайтам замещения, равная 0,45%, соответствует дивергенции аминокнслотных замен, равной 1'/ (считая, что среднее число сайтов замещения в кодоне составляет 2,25).
Рассмотрим для примера б- и 6-глобиновые цепи человека: из 146 амннокислотных остатков различаются 10, 276 Часть ЧЕ Кластеры сходных последовательностей ДНК 120 мо 10О Б 90 8 Й 6О й о л то о с 60 с 60 8 и 40 тз с о 8 зо 20 1О о О 10О 200 ЗОО 400 600 Миллионы лет с момента разделения на аида~ Рис. 2!.7, Дивергенция нуклсотилных последовательностей ДНК зависит от расхождения видов в процессе эволюции. Каждая ~очка на трафикс соответствует степени дивергснции пары генов.
и дивергенция, следовательно, равна 6,9;и Из 441 нуклеотидов ДНК различается 31. Однако эти изменения очень неравномерно распределены между сайтами замещения и молчащими сайтами. Имеется 11 замен в 330 сайтах замешения, но 20 замен всего лишь в 111 молчащих сайтах. С учетом этого скорректированные оценки дивергенции составляют 3,7',г для сайтов заме!пения и 32% для молчаших сайтов, различаясь почти на порядок. Столь значительные различия в дивергенции сайтов замещения и молчащих сайтов непосредственно свидетельствуют о наличии гораздо больших ограничений на положения нуклеотидов, влияющих на строение белка, чем на положения нуклеотидов, не оказываюших такого действия.
Поэтому маловероятно, что сколько-нибудь значительная часть аминокислотных замен нейтральна. Если принять, что скорость мутирования молчащих сайтов соответствует скорости закрепления мутаций (иными словами, если допустить, что молчащие сайты вообще не подвергаются отбору), то тогда за период, прошедший со времени дивергенции )3- и б-генов, должны были произойти замены в 32 л из 330 сайгон замещения, т.е.
в 105 сайтах. Из них сохранились только 1!. Следовательно, 90"„' всех мутаций были отсеяны в ходе отбора. Использование часов для изучения эволюции генов глооина Сравнивая нуклеотидные посдедовательности гомологичиых генов различных видов организмов, можно определит.ь темпы дивергенции как сайтов замещения, так и молчаших сайтов.
При попарном сопоставлении видов обнаруживается, что для а- и )3-глобиновых генов млекопитаюших, дивертировавших со времени разделения млекопитающих на виды около 85 млн. лет назад, среднее значение диверген- ции составляет !О;и Это соответствует скорости дивергенции сайтов замещения, равной 0,12г,' за ! млн. лет, или ЕЭВ, равной 8,5. Эта же скорость дивергенции сохраняется для генов, дивергировавших етце раньше. Например, среднее значение дивергенции сайгон замегцения соответствующих глобиновых генов млекопитающих и цыплят составляет 23г„'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
