| Головна |
| «« | ЗМІСТ | »» |
|---|
На відміну від змін прокариотичного генома перетворення генома в еволюції еукаріот пов'язані з наростаючим збільшенням кількості ДНК. Це збільшення спостерігається в процесі прогресивної еволюції еукаріот (див. Рис. 1.2 і розд. 3.6.3). На тлі такого збільшення більша частина ДНК є «мовчить», т. Е. Кодує амінокислот в білках або послідовностей нуклеотидів в рРНК і тРНК. Навіть в межах одного гена «мовчазні» (інтрони) і кодують (екзонів) ділянки можуть чергуватися. У складі ДНК виявляються високо і помірно повторювані послідовності. Вся маса ДНК розподілена між певним числом спеціалізованих структур - хромосом. Хромосоми на відміну від нуклео- Іда прокаріотів мають складну хімічну організацію. Еукаріоти в більшості випадків диплоїдні. Час генерації у них значно більше, ніж у прокаріот. Відзначаються особливості, що оформилися в ході еволюції геному еукаріот, допускають широкі структурні зміни і забезпечують не тільки адаптивну (пристосувальну), але і прогресивну еволюцію.
Серед перерахованих вище моментів збільшення розмірів генома в еволюції еукаріот привертає особливу увагу. Цей процес може здійснюватися різними способами. Найбільш різко розмір генома змінюється в результаті поліплоїдизації, яка досить широко поширена в природі. Вона полягає в збільшенні кількості ДНК і хромосом, кратному гаплоидному. Досягається в результаті стан полиплоидии призводить до збільшення дози всіх генів і створює надлишок «сирого» генетичного матеріалу, який згодом видозмінюється в результаті мутацій і відбору.
Мабуть, в ході еволюції в результаті накопичення мутацій і дивергенції нуклеотидних послідовностей поліплоі- дізація супроводжувалася переходом до диплоїдному станом. Саме по собі збільшення дози генів ще не означає досягнення однозначно позитивного біологічного результату. Про це свідчить розвиток в еволюції еукаріот механізмів компенсації зростаючої дози генів в ході їх експресії шляхом скорочення часу життя в клітинах зрілої РНК. Так, у тетраплоідних коропових риб у відповідь на збільшення дози генів рРНК в молекулах рРНК соматичних клітин виникають приховані внутрішні розриви, які призводять до передчасного їх старіння і скорочення змісту в цитоплазмі.
Якби збільшення обсягу геному відбувалося тільки в результаті поліплоїдизації, то в природі мало б спостерігатися стрибкоподібне зміна його розмірів. Насправді цей процес демонструє плавне збільшення вмісту ДНК в геномі. Це дозволяє припустити можливість інших механізмів, що змінюють його обсяг.
Дійсно, деяке значення у визначенні розміру генома мають хромосомні перебудови, супроводжуються зміною змісту ДНК в них, такі як дуплікації, делеції і транслокації. Вони обумовлюють повторення, втрату деяких послідовностей в складі хромосоми або перенесення їх в інші хромосоми.
Важливим механізмом збільшення обсягу геному є ампліфікація нуклеотиднихпослідовностей, яка полягає в утворенні їх копій, що призводить до виникнення повторюваних ділянок ДНК. Особливістю геному еукаріот є наявність таких повторів у великій кількості, що свідчить про істотне внесок механізму ампліфікації в збільшення розмірів спадкового матеріалу. Ампліфіковані послідовності утворюють сімейства, в яких вони зібрані разом (тандемна організація) або ж розподіляються за різними хромосомами. Конкретні зміни, що призводять до ампліфікації, бувають різними. Поява тандемів повторюваних послідовностей пояснюється, наприклад, нерівним кросинговером, внаслідок якого виникають багаторазові дуплікації окремих ділянок ДНК. Можлива ампліфікація шляхом вирізання фрагмента з подальшою його реплікацією поза хромосоми і встраиванием копій в інші хромосоми. Припускають також ампліфікацію, здійснювану шляхом «зворотної транскрипції» ДНК на РНК за участю ферменту зворотної транскриптази з наступним встраиванием копій ДНК в різні локуси хромосом.
У всіх випадках ампліфікація деякої послідовності призводить до виникнення в геномі більш-менш численних повторів і сприяє некратними збільшення нею обсягу. Наявність таких повторів в поєднанні з мутаційним процесом є передумовою дивергентной еволюції однотипних послідовностей в межах сімейства з відповідною зміною властивостей кодованих білків або РНК.
Яскравим прикладом еволюційної долі ампліфикувати нуклеотиднихпослідовностей є сімейства глобінових генів, широко поширених в природі у видів різних рівнів організації. У вищих хребетних відомий ряд глобінових генів, що контролюють синтез поліпептидів гемоглобіну. У людини в геномі є вісім активних глобінових генів, що утворюють два сімейства. Сімейство генів, що визначають синтез а-глобинов, містить ^ j-глобінових ген, активно функціонує в ембріогенезі, і два а-глобінових гена, які експресуються у плода і дорослої людини. Це сімейство генів розташовується в 16-й хромосомі в наступному порядку: 5 '- 2 - - а2 - а1 - 3 '.
Сімейство генів, що визначають синтез (3-глобинов, розташоване з. 6. Геномний рівень організації спадкового матеріалу
в 11-й хромосомі, містить е-глобінових ген ембріона, два подібних у-глобінових гена плоду Gy і А ^, малий 5- і великий Р-глобінових гени дорослих: 5 '- е - Gy -Ay - 8 - (3 - 3 '.
Вивчення гомології продуктів вказаних генів і генів міогло- біна у різних видів організмів дозволило припустити спільність походження цих сімейств. Ймовірно, близько 1100 мільйонів років тому сталася Дуплікація гена-попередника, що дала початок гемо- глобінових і міоглобіновим генам. Пізніше, близько 500 млн років тому, на ранній стадії еволюції хребетних сталася Дуплікація, що дала початок двом (а і Р) родин глобінових генів, що супроводжувалася транслокацией. Приблизно 200 млн років тому чергова дуплікація призвела до виникнення в сімействі Р-глобінових генів генів Р-глобинов плодів і дорослих. Близько 100 млн років тому відбулося утворення е-і у-глобінових генів
і, нарешті, 40 млн років тому з'явилися б-і Р-глобінових гени.
сімейства а- і Р-глобінових генів організовані в генні кластери, що виникли, ймовірно, в результаті тандемной дуплікації генів. У складі зазначених кластерів поряд з активно функціонуючими на різних стадіях онтогенезу генами виявлені неактивні, або псевдогени. Останні виникли, ймовірно, в результаті появи в них змін, несумісних з можливістю їх експресії. У сімействі Р-глобінових генів міститься два псевдогена: ypj і ц / Р2. У а-сімействі є 1^г і рісх псевдогени.
Дивергенція ампліфикувати послідовностей з утворенням різних генів або їх родин обумовлена накопиченням в них різних змін у вигляді замін підстав або інших генних мутацій. Про гомології глобінових генів обох сімейств свідчить наявність у всіх активних глобінових генах хребетних двох інтронних ділянок, які займають в них строго однакове становище. Таку ж організацію мають і псевдогени pcxj у людини, | ях2 у кролика. Однак в 1 | / а3-псевдогенов миші в ході еволюції обидва інтрони виявилися точно вирізаними.
Результатом ампліфікації невеликих послідовностей ДНК в межах функціональної одиниці є подовження гена, при якому з простих генів можуть виникати більш складні. Це може відбуватися за рахунок тандемних дуплікацій. Наприклад, в генах, що кодують варіабельні ділянки імуноглобулінів миші, послідовності з 600 п. Н. утворюються в результаті 12 тандемних повторів вихідної предковой послідовності в 48 п. н. Іншим прикладом подовження гена за допомогою тандемних дуплікацій служить ген колагену а2, який у курки складається з 34 000 п. н. і містить більше 50 екзонів. Довжина таких ділянок у всіх випадках кратна дев'яти нуклеотидним парам. Еволюція цих екзонів, очевидно, йшла від гіпотетичного вихідного будівельного блоку довжиною в 54 пари нуклеотидів.
Таким чином, ампліфікація нуклеотидних послідовностей, що відбувалася в процесі еволюції геному, забезпечувала не тільки його кількісне збільшення, поява сімейств генів, але і створювала передумови для накопичення в них змін, дивергенції генів, збільшення різноманітності контрольованих ними продуктів.