WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
MOLECULAR EVOLUTION МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ V. A. RATNER..

‚· „‰‡‚ ‚ Basing on the concrete examples of phylogenetic analysis of coded macroТеория эволюции является одним из краеугольmolecules (ribosomal ных камней биологии и естествознания в целом. В последние годы теория эволюции испытывала усRNAs, globins, influenza коренное изменение и развитие в связи с появлениvirus proteins, AIDS proем в естественнонаучной практике нового мощного teins, mt-DNA, etc.), the пласта экспериментальных данных и теоретических методов. В поле зрения теории эволюции попали role of this new approach кодирующие макромолекулы: ДНК, РНК и белки, in modern development of составляющие костяк молекулярно-генетической Evolution Theory, Human организации клеток и организмов. Теперь уже широко известна роль ДНК и РНК как материальных Origin, and Humanity Evoносителей генов, м-РНК как переносчика генетиlution is shown.

ческой информации от генов к белкам и белков как исполнителей самых разнообразных биологических функций: ферментов – катализаторов процессов ‡ обмена, антител – иммунных защитников организ‡ „„ ма, структурных элементов, регуляторных и транс‡‡‡ ‰ ‡- портных элементов и т.д.

Первые последовательности аминокислот в бел (·ках были расшифрованы (секвенированы) в 50-е го, „·‚, ·ды, нуклеотидов в генах и РНК – в 60-е, но массовое ‚ ‚‡ „‡, „секвенирование началось только в 1977–1978 годы, став к настоящему времени рутинной технологиче‚, -) ‡ской операцией. Результаты секвенирования с тех ‡, ‡ „‡ пор накапливаются в компьютерных банках дан ‰‰ ‚ ‚ных. К осени 1997 года крупнейшие международные банки данных содержали сведения примерно ‡‚ об одном миллиарде секвенированных нуклеоти‚, ‰дов ( 1, 6 млн генов и других фрагментов) и о более fl ‚‡ ‚100 тыс. белков.

‚‚‡.

Легко понять, что расшифровка нуклеотидных последовательностей генов (ДНК), РНК и аминокислотных последовательностей белков создает новую ситуацию, позволяющую взглянуть на процесс эволюции с молекулярного уровня организации жизни. Действительно, в классической генетике аллели генов принято обозначать однородными буквами или индексами: B и b, А1 и А2 и т.д. Если в процессе эволюции один аллель вытесняет другого (B b и т.д.), то кажется, что происходят как бы утрата предыдущего аллеля (B) и распространение нового (b). В то же время в молекулярной генетике известно, что многие мутации состоят в замене лишь одного или нескольких нуклеотидов:

B b TTCGAGGCTAG TTCGCGGCTAG Поэтому замена аллеля может сводиться фактически к замене и фиксации единственного нуклеотида, а остальная, бльшая часть гена остается неизменной. Сходство последовательностей аллельных..

© ‡.., генов (или белков) остается максимальным. Чем профессиональном уровне, этому посвящены друбольше накапливается различий, тем меньше сход- гие издания, а продемонстрируем, так сказать, “наство последовательностей. Чем раньше дивергиро- учный продукт” этой науки – филогенетические вали два гена, тем больше фиксированных разли- деревья – и покажем, к каким любопытным вывочий они накопят. дам приводят их анализ и интерпретация. Некоторые приводимые результаты получены автором и Таким образом, сходство последовательностей его сотрудниками.

макромолекул можно положить в основу молекулярно-филогенетических построений. Число различий Кодирующие макромолекулы эволюционируют мономеров (или близкая к нему величина) может с разными скоростями. Наиболее консервативныбыть мерой эволюционной дивергенции. Обилие ми обычно являются гены и белки некоторых очень секвенированных последовательностей в банках глубоких и рано возникших генетических процесданных делает применимость этого подхода практисов, которые представлены у многих (или даже у чески неограниченной.

всех) форм жизни. Таковы, например, гены рибосомных РНК (входящих в молекулярный механизм В течение последних 30 лет были разработаны синтеза белка), некоторых гистонов – белков комнесколько десятков компьютерных методов и пакепактизации ДНК хромосом. Менее консервативны тов программ для построения филогенетических гены и белки систем, которые встречаются у опредеревьев макромолекул и филогенетического анаделенных широких групп видов (например, глобилиза, при помощи которых были построены многие ны животных). Наконец, наиболее изменчивыми сотни филогенетических деревьев макромолекул. В являются гены и белки РНК-содержащих вирусов, результате их анализа получены многочисленные которые стремительно изменяются в борьбе с иминтереснейшие данные, причем некоторые из них мунной системой их хозяев (вирус гриппа, ВИЧ имели фундаментальное значение. Многие макро(HIV), онкогенные ретровирусы).

молекулы эволюционировали гораздо медленнее, чем морфологические признаки живых форм, поПримером глобального дерева, охватывающего этому их филогенетический анализ позволяет завсе крупнейшие таксоны биологического мира, явглянуть в очень ранние периоды эволюционного ляется дерево 16S–18S-рибосомных РНК, построенпроцесса (до 100–1000 млн лет тому назад).

ное американцем К. Вуузом и сотрудниками (рис. 1).

На этом базируется развитие теории молекуляр- Наиболее неожиданным свойством этого дерева ной эволюции. Здесь мы не будем описывать ее на является существование в нем трех крупнейших ARCHAEBACTERIA Halococcus morrhua Halobacterium volcanii Methanospirillum hungatei Methanobacterium formicicum Sulfolobus solfataricus Thermoproteus tenax Methanococcus vannielii Pseudomonas testosteroni Homo sapiens Escherichia coli EUKARYOTES EUBACTERIA Рис. 1. Глобальное филогенетическое дерево надсемейства 16S–18S-рибосомальных РНК, построенное К. Вуузом и сотрудниками, ‹3, Thermomicrobium roseum Agr Xenopus laevis Anacystis nidulans obacterium tumefaciens Bacillus subtilis Zea mays Zea mays mitochondrion Zea mays chlor ocentrum micans or Pr evisiae acilis Oxytricha nova omyces cer oplast Euglena gr Sacchar rypanosoma brucei Dictyostelium discoideum T ветвей, объединяющих эубактерий (обычные бак- в пользу симбиотической гипотезы эволюционного терии), архебактерий (особая экзотическая группа возникновения эукариот, согласно которой митобактерий) и эукариот (высшие ядерные организ- хондрии происходят от симбиотических предковых мы). До этой работы считалось, что бактерии со- пурпурных бактерий, а хлоропласты – от цианобакставляют единое надцарство Prokariota, отделенное терий (синезеленых водорослей), а вовсе не от ядерот второго надцарства – Eukariota существенной ных структур эукариотических клеток.



дистанцией. В дереве Вууза все три глобальные ветБелки-глобины (гемоглобины крови, миоглобиви примерно равно удалены друг от друга. Поэтому ны тканей) и их гены распространены в живой приархебактерий следует считать самостоятельным надроде не столь широко. Они найдены в основном у царством. Таким образом, Вууз ввел три надцарства, животных, некоторые удаленные их представители или домена: Bacteria, Archaea, Eucarya. Некоторые (леггемоглобины) найдены также у растений, а у исследователи предлагали также термин “империя”.

прокариот они пока не обнаружены. Поэтому глоЭтот важный результат сразу привлек внимание бины образуют молекулярное надсемейство, охвак изучению архебактерий, причем вскоре было по- тывающее лишь часть таксономического дерева казано, что по многим другим свойствам они дейст- жизни. Деревья эволюции глобинов и их генов бывительно существенно удалены как от эукариот, так ли построены многими исследователями. На рис. и от эубактерий. Многие архебактерии существуют приведено филогенетическое дерево глобинов, пов природе в весьма экзотических условиях: при вы- строенное А. Жарких в нашей лаборатории. В целом сокой температуре вблизи подводных вулканов; в оно достаточно хорошо соответствует принятой таксреде, насыщенной метаном, соединениями серы и сономии животных.

т.д. Время разделения надцарств Bacteria и Archaea Из независимых палеонтологических данных оценивается примерно в 3,5 млрд лет назад.

можно почерпнуть датировки эпох существования Дерево Вууза включает в себя фракции 16S-по- общих предков многих ныне живущих биологичесдобных р-РНК, кодируемых не только ядерными ких форм. Так, в дереве глобинов датированы шесть генами, но и генами клеточных органелл – мито- точек ветвления. Поскольку методы реконструкции хондрий и хлоропластов. Легко заметить, что ядер- деревьев позволяют определить длины ребер дерева ная фракция р-РНК кукурузы (Zea mays) попадает в (числа фиксированных замен, мутаций) на различветвь эукариот, как и ожидается, а фракции из ми- ных маршрутах, то с учетом датировок это дает возтохондрий и хлоропластов этой же кукурузы (Zea можность подсчитать скорости эволюции на разных mays mitochondrion, chloroplast) – в ветвь эубакте- этапах и в разных ветвях дерева. Нами получены рий. Этот факт считается самым веским аргументом очень любопытные оценки (рис. 3).

CN101–102–C141–152 C143–CN28–69–(32–33) + N+ (37–38) 148–40–CNC2 C1 73–N6 N1 98–103 80 NNN86 148 N105–NN69–89 52 C20 CN4 168 N-Цепи -Цепи гемоглобинов Миоглобины Эритрокруорины Леггемохирономуса глобины Рис. 2. Филогенетическое дерево надсемейства глобинов, построенное А.А. Жарких для 40 удаленных последовательностей белков: 1 – фиксированные делеции, 2 – инсерции. Цифры указывают на их локализацию внутри белка..

Соя Фасоль Бобы Люпин Амниоты Тритон Лягушка Карп Форель Акула Рыбы R. catesbeian R. esculenta Xenopus laev.

Rana-Лошадь Свинья Корова Овца С Коза С Овца А Коза А Миксина Реч. минога Мор. минога Млекопитающие Курица Пингвин Рогатая акула Кунья акула СТТ-7В-СТТ-7В-СТТ-2В СТТ-7А СТТ-СТТ-СТТ-Aplysia Busycon Clycera 111–145–34–47–64–центры были просто неизменны. Иначе говоря, мы как бы видим события эпохи формирования новых Скорость фиксации замен, 109 на позицию, в год функциональных структур молекул гемоглобина, которые в дальнейшем сохраняются у всех назем20 ных форм позвоночных. Следует учесть, что выход позвоночных на сушу и переход к дыханию свободным кислородом воздуха сопровождались резкой перестройкой всей системы дыхания, и в том числе структуры гемоглобинов. Ускорение эволюции в эту эпоху означает, что указанные приобретения были высоко адаптивными, то есть обеспечивали 4 существенное преимущество их обладателям.

0 Примером дерева наиболее быстрой молекуляр900 700 500 300 100 ной эволюции является дерево генов, кодирующих T, млн лет назад гемагглютинины H3 вируса гриппа (рис. 4), построенное Л.В. Омельянчуком и сотрудниками. Это беРис. 3. Адаптивное ускорение фиксации замен лок вирусного капсида, некоторые выпуклые участаминокислот в гемоглобинах в эпоху выхода позвоночных животных на сушу (400–500 млн лет на- ки которого (антигенные детерминанты) узнаются зад). Скорость эволюции: 1 – в среднем по белку;





специфическими антителами хозяина (человека). В 2 – в центре контакта – ; 3 – в регуляторном 1 результате иммунное сопротивление хозяина прецентре связывания ДФГ пятствует размножению вируса. Вирус гриппа имеет РНК-геном, в котором мутации происходят с наиВо-первых, оказалось, что средняя скорость большей известной частотой 10- 3–10- 4 на позицию, эволюции по всему белку была непостоянна и имеза репликацию. В XX веке изучены несколько лола максимум примерно 400–500 млн лет назад, в кальных эпидемий и пандемий гриппа. Одной из эпоху выхода позвоночных животных из Мирового океана на сушу (рис. 3, 1). Во-вторых, эта особенность выявилась еще ярче для тех участков глобинов, которые отвечают за образование их четвертичной (мультимерной, агрегатной) структуры.

Дело в том, что миоглобины и гемоглобины некото103/рых примитивных животных до сих пор представляют собой протомеры (отдельные субъединицы белка). Круглоротые рыбы (например, минога) имеют димерные агрегаты гемоглобинов, а большинство других позвоночных – тетрамерные агрегаты, состоящие из двух -субъединиц и двух -субъединиц 2 ( ). Субъединицы соединяются при помощи так 14/20/называемых центров контакта, которые обознача5/7 ются –, – и т.д. Для современных гемогло1 1 1 2/8/бинов известны аминокислоты, входящие в центры 2/1970 11/контакта. Поэтому можно подсчитать скорости 14/эволюции непосредственно для центров контакта.

Максимум скорости четко выявляется для центра контакта – (рис. 3, 2) и регуляторного центра 1 связывания дифосфоглицерата (ДФГ) (рис. 3, 3).

Таким образом, при выходе позвоночных животных на сушу их гемоглобин приобрел тетрамерную структуру, когда разные субъединицы ( и ) связаны между собой центрами контакта – и регуляРис. 4. Филогенетическое дерево генов гемаг1 глютинина H3 вируса гриппа типа А, построенторным центром ДФГ. Прежде всего в эту эпоху ное Л.В. Омельянчуком и др. “Висячие” верши(или немного раньше) ген общего предка гемоглоны и ведущие к ним ребра отвечают эпидемибинов был дуплицирован, а его копии в ходе диверческим штаммам (1, 2, 3, 4, 5, 10). Индексы генции дали начало двум родственным семействам: штаммов указывают на место и год выделения.

Внутренние вершины и ребра дерева отвечают и. Именно в ту эпоху мы видим максимальную неэпидемическим стадиям циркуляции вируса скорость эволюции центров их контакта и регуля(“резервуар”). Вблизи ребер указаны числа ции, а затем в течение сотен миллионов лет скосинонимических/несинонимических замен нукрость резко падала, часто до нуля, когда возникшие леотидов, ‹3, A/Duck/Ukraine/A/Aichi/A/Nt/A/Memphis/A/Victoria/A/Bangkok/первых изученных была пандемия испанки 1918– вмешательствах, при родах от матери к ребенку и в 1919 годов. В дальнейшем были зафиксированы других подобных ситуациях. Он был обнаружен в пандемии гонконгского гриппа и др. В большинст- начале 80-х годов в крови больных, погибавших от ве случаев образцы эпидемических штаммов вируса различных тяжелых заболеваний. Эти заболевания гриппа были собраны и сохранены в коллекциях. имели одно общее свойство – иммунная система После 1978 года РНК этих эпидемических штаммов больного была неспособна противостоять как этому были секвенированы, а позже теоретиками постро- вирусу, так и сопровождавшим возбудителям других ены филогенетические деревья. заболеваний, от которых, собственно, больные и погибали. Были обследованы образцы из банков Анализ дерева на рис. 4 показал, что все эпидепереливания крови, которые созданы во многих мические варианты оказались на нижних тупикостранах для медицинских целей. Оказалось, что вых ветвях дерева (так называемые висячие вершимногие образцы содержали вирус ВИЧ.

ны). Это значит, что эпидемические штаммы, как правило, не бывают прямыми потомками других Различные штаммы вируса ВИЧ, выделенные в эпидемических штаммов. Иначе говоря, неэпидеразных районах Африки, Карибского бассейна и мический вирус, видимо, циркулирует в каком-то США, были секвенированы, для них теми же мето“резервуаре” (локальной популяции человека, где к дами, что и выше, построены филогенетические девирусу есть устойчивый иммунитет, или в в популяревья (одно из них показано на рис. 5). Это дерево ции животных, которые могут быть промежуточныуказывает, что вирус ВИЧ существовал в Центральми носителями вируса). Эпидемии возникают тогной Африке (Заир) до 1960 года, был занесен на Гаида, когда появляется новый вариант вируса, против ти до середины 70-х годов и в США до 1978 года.

которого нет готовых антител, то есть готового имИначе говоря, его истоки лежат в Африке, где в некомунитета хозяина. Этот вариант как бы выплескиторых странах вирусоносители составляют до половается в человеческую популяцию и быстро в ней вины населения, хотя заболевание СПИД проявляраспространяется, пока не будет выработан адекется далеко не у всех. Видимо, размножение вируса ватный иммунный ответ. Тогда эпидемия затухает.

все же сдерживается их иммунной системой. Вирус Следующая эпидемия возникает путем независимоВИЧ сходен с некоторыми вирусами обезьян, пого выплескивания нового варианта вируса гриппа, не этому многие ученые предполагают, что он возник в связанного, как правило, с предыдущей эпидемией.

результате изменчивости этих вирусов и был занесен в популяцию человека извне относительно недавно.

Поскольку все эпидемии были датированы (см.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.