Удвоение и дивергенция генов в филогенезе

Филогенез характеризуется усложнением генома, которое про­является в увеличении количества и разнообразия генов и, соответственно, белков. Геном кишечной палочки содержит 3,8-10⁶ нуклеотидных пар. Средний белок построен примерно из 300 аминокислотных остатков; следовательно, размер сред­него гена — около 900 нуклеотидных пар. Таким образом, в клетке кишечной палочки ДНК хватило бы для кодирования примерно 4000 белков. Однако часть ДНК не входит в состав структурных генов, а выполняет регуляторные функции в оперонах, поэтому число разных белков в клетке кишечной палочки меньше 4000.

ДНК гаплоидного набора хромосом клетки человека содер­жит 2,3-10⁹ нуклеотидных пар, т. е. на три порядка больше, чем Е. coli. Такого количества ДНК хватило бы для кодирования 2,5 млн. белков. В клетках человека (и других эукариот) доля ДНК, занятая структурными генами, значительно меньше, чем у прокариот: по примерным оценкам, в организме человека синтезируется 50—200 тыс. разных белков (в 20—60 раз больше, чем у Е. coli). В это число не входят иммуноглобулины, разно­образие которых обеспечивается механизмами, отличающимися от синтеза всех других белков.

Усложнение генома при филогенезе достигается в результате двух процессов: удвоения генов и их независимых мутаций.

В результате удвоения возникают две копии гена в одной моле­куле ДНК (в одной хромосоме), т. е. в геноме образуется допол­нительный локус. Многократное удвоение приводит к образова­нию большего количества копий. Многие гены человека в гапло­идном наборе представлены двумя или большим числом копий. В некоторых (редких) случаях число копий значительно; напри­мер, имеется до 1000 копий гистоновых генов, которые в моле­куле ДНК расположены последовательно (тандемно).

При наличии двух копий гена мутации одной из них, веду­щие к синтезу «неправильного» белка, не будут гибельными для клетки, поскольку другая копия обеспечит синтез «пра­вильного» белка. Следовательно, мутантный ген не будет элиминироваться естественным отбором, и через ряд поколений в ре­зультате накопления мутаций кодируемый им мутантный белок может оказаться полезным для организма. Это означает появ­ление нового гена. Такие родственные гены сходны по последовательности кодонов, а соответствующие белки — по последовательности аминокислот. Например, подобное семейство белков составляют миоглобин и протомеры гемоглобинов. В организме взрослого человека имеется три основные формы гемоглобинов: НЬА (96%), HbF (2%) и НЬА₂ (2%). Все они тетрамеры; формула НЬА — 2а2р; в молекулах HbF и НЬА₂ вместо Р-протомеров содержатся у- и δ-протомеры: HbF — 2а2у, НЬА₂ – 2а2δ. Первичная структура всех протомеров сходна во многих частях пептидной цепи (рис. 56). Учитывая число различий в первичной структуре протомеров, а также сравнивая первич­ные структуры гемоглобинов разных животных, можно считать, что миоглобин и протомеры гемоглобинов возникли из общего предшественника в результате удвоения генов и независимых мутаций.

Основная функция всех гемоглобинов одинакова, поэтому их можно рассматривать как изобелки. Следовательно, удвоение генов и последующие независимые мутации копий – это один из механизмов образования изобелков, в том числе изоферментов. Дальнейшее накопление мутаций в родственных генах ведет к еще большей дивергенции (расхождению) свойств соответст­вующих белков. Например, семейство родственных белков сос­тавляет группа протеолитических ферментов, включающая трип­син, химотрипсин, эластазу, тромбин, плазмин. Эти ферменты различаются по субстратной специфичности и роли, которую они выполняют в организме, и название «изоферменты» к ним уже вряд ли применимо. Продолжающееся накопление мутаций в конечном счете приводит к тому, что гены, возникшие в ре­зультате удвоения их общего предшественника, утрачивают при­знаки родства, а кодируемые ими белки имеют совершенно раз­личные первичную структуру и функцию. Этот путь и ведет к увеличению количества и разнообразия генов при филогенезе. Удвоение генов и их дивергенция путем независимых мутаций составляют механизм дихотомической эволюции генов и соот­ветствующих белков.

Организм должен реплицировать ДНК с высокой точностью, чтобы поддерживать свою генетическую идентичность. На это на­правлено действие механизмов, обеспечивающих точность репли­кации, и действие репарирующих систем, устраняющих повреж­дения. И все же он должен допускать некоторое количество ошибок при репликации ДНК или репарации повреждений, чтобы была возможна эволюция. Мутации — это первичная при­чина появления разнообразия фенотипов, необходимого для дей­ствия естественного отбора. Другая причина — вторичная — это рекомбинации мутантных генов при половом размножении.

Полиморфизм белков.

У разных особей возникают варианты (мутации) разных генов или варианты одного и того же гена. Варианты генов, образующиеся у отдельных особей, могут постепенно распростра­няться в популяции в результате наследования, если они не детальны. Так формируется генотипическая неоднородность по­пуляции, которая ведет и к фенотипической неоднородности. На молекулярном уровне наиболее изучен как следствие генотипической гетерогенности полиморфизм белков — существова­ние разных форм белка, выполняющего одинаковые или очень сходные функции (изобелки). Чаще всего изучают полиморфизм ферментов (т. е. наличие изоферментов), поскольку их гораздо легче обнаружить, чем другие белки, по катализируемой ими реакции.

Гемоглобин.Гемоглобины А(2а2β), F(2a2y), Аг(2а2δ) есть в эритроцитах почти всех людей. Гены этих белков не аллельны — они занима­ют разные локусы. Эти гены возникли в результате дупликации гена-предшественника и мутационной дивергенции копий. Но в крови некоторых людей обнаруживаются (обычно редко) другие гемоглобины, являющиеся продуктами аллельных генов. В част­ности, известно много аллельных вариантов гемоглобина А. Один из вариантов — это HbS, который отличается от НbА лишь одной аминокислотой в шестом положении β-цепи (β6 Glu-→>VaI).

По аллелям НbА и HbS все люди делятся на три группы с генотипами АА, AS и SS. У людей первой группы эритроциты содержат НЬА, у второй—НЬА и HbS, у третьей—HbS. Распро­страненность аллеля S (т. е. суммы людей с генотипами AS и SS) географически неравномерна: у некоторых народностей Азии и Африки—до 35%; у европейцев встречается редко.

Существует еще вариант гемоглобина: HbC (β6 Glu→Lys). По этой паре аллелей существуют генотипы АА, АС и СС. Теперь всех людей можно разделить на пять генотипически и фенотипически разных групп: АА, AS, SS, АС и СС. Известно около 300 разных вариантов НbА. Следовательно, по всем аллелям гемоглобина А люди образуют около 600 генотипически различающихся групп (если не считать очень редко встречающиеся гетерозиготы по вариан­там, например SC).

Трансплантационная несовместимость.От полиморфизма белков в сочетании с иммунологическими реакциями зависит трансплантационная несовместимость. Клетки трансплантата содержат аллельные варианты белков, отличаю­щиеся от вариантов реципиента. Эти белки донора являются антигенами для организма реципиента и приводят к развитию реакции клеточного иммунитета, в результате которой трансплан­тированная ткань отторгается. Роль антигенов могут выполнять также полисахариды или другие вещества, структура которых у донора и реципиента различна. Однако и в этом случае пер­вичная причина различий—полиморфизм белков, поскольку все вещества в организме синтезируются при участии ферментов, т. е. белков. Решающую роль в отторжении трансплантата игра­ют антигены (белки и полисахариды), расположенные на наруж­ной поверхности плазматической мембраны клеток.

Отторжение трансплантата в наибольшей мере определяется главным комплексом тканевой совместимости — так называют участок генома, содержащий небольшое число структурных генов (не меньше трех), и белки, кодируемые этими генами. Белки главного комплекса тканевой совместимости представляют собой гликопротеины; они являются интегральными белками плазмати­ческой мембраны клеток. Гены главного комплекса тканевой совместимости отличаются необычайно высоким полиморфизмом: число комбинаций разных аллелей по генам этой системы дости­гает нескольких миллионов. Это самая полиморфная система человека из всех известных в настоящее время. Высокая степень полиморфизма генов обеспечивает столь же высокую степень ин­дивидуальности по белкам, которые кодируются этими генами. Подбор донора и реципиента, сходных по антигенным свойствам белков главного комплекса совместимости, значительно повыша­ет вероятность приживления трансплантата. Этот комплекс в настоящее время интенсивно изучается с целью преодолеть трансплантационную несовместимость — главное препятствие на пути трансплантологии.

Концепция иммунологического надзора.Разумеется, в ходе биологической эволюции такая реакция на чужеродные клетки выработалась не для отторжения транс­плантата. По-видимому, действительная биологическая роль клеточного иммунитета, помимо защиты от вирусной и некото­рых других инфекций, состоит в устранении измененных клеток, которые возникают в результате соматических мутаций. Общее число клеток в организме человека громадно—порядка 10¹⁸, поэтому и число мутантных клеток тоже велико: в каждый мо­мент оно может измеряться биллионами клеток. Размножение мутантных клеток, неспособных выполнять нормальные функции, могло бы оказаться вредным для организма. На них и направле­но действие клеточного иммунитета. Таким способом осуществля­ется иммунологический надзор за постоянством клеточного состава организма. Иммунологический надзор служит как бы второй линией обороны против появления мутантных клеток (первую линию обороны составляют системы репарации ДНК).

В каждой клетке организма происходит непрерывный распад ее структурно-функциональных компонентов, и за счет этого образуются аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты, нуклеотиды и другие вещества. Они смешиваются с такими же веществами, образующимися из пищи, составляя общий фонд метаболитов организма. Этот фонд расходуется по двум направле­ниям: часть используется для возобновления распавшихся струк­турно-функциональных компонентов клетки; другая часть пре­вращается в конечные продукты обмена веществ, которые выводятся из организма. При распаде веществ до конечных продуктов обмена освобождается энергия, у взрослого человека 8000—12 000 кДж (2000—3000 ккал) в сутки. Эта энергия используется клетками организма для совершения разного рода работы, а также для поддержания температуры тела на посто­янном уровне.

Между содержанием разных веществ в организме и величи­ной их суточного потребления нет соответствия. Например, для белков отношение содержание/потребление равно примерно 180, а для углеводов оно менее 2, то есть различие по этому коэф­фициенту между белками и углеводами почти стократное. Это связано с тем, что подавляющая часть пищевых углеводов ис­пользуется именно как источник энергии и распадается до конеч­ных продуктов обмена, минуя стадию включения в структурно-функциональные компоненты клетки. То же в значительной мере относится и к жирам.

Основную массу элементов, из которых построены пищевые вещества, а также и тело человека, составляют углерод, водород, кислород и азот. Эти же элементы входят в состав главных конечных продуктов обмена веществ — С0₂, Н₂0 и мочевины H₂N — СО — NH₂. В форме Н₂0 выводится водород органи­ческих веществ, причем организм выделяет воды больше, чем потребляет (см. табл. 24): примерно 400 г воды образуется за сутки в организме из водорода органических веществ и кислоро­да вдыхаемого воздуха (метаболическая вода). В форме С0₂ выводятся углерод и кислород органических веществ, а в форме мочевины — азот.

Человек выделяет с мочой, калом, потом, выдыхаемым воз­духом много и других веществ, но в незначительных количествах, так что их вклад в общий баланс обмена веществами между ор­ганизмом и средой невелик. Однако надо отметить, что физиоло­гическое значение выделения таких веществ может быть су­щественным. Например, нарушение выделения продуктов распа­да гема или продуктов метаболизма чужеродных соединений, в том числе лекарств, может быть причиной тяжелых нарушений обмена веществ и функций организма.

Обучающие задачи:

1. В процессе гликолиза образовалось 42 молекулы пировиноградной кислоты. Какое количество молекул глюкозы подверглось расщеплению и сколько молекул АТФ образуется при полном окислении?

Ответ: При гликолизе одна молекула глюкозы расщепляется с образованием 2-ух молекул пировиноградной кислоты (ПВК), следовательно, гликолизу подверглось: 42/2=21 молекула глюкозы.

При полном окислении одной молекулы глюкозы (бескислородный и кислородный этапы) образуется 38 молекул АТФ.

При окислении 21 молекулы образуется: 21*38=798 молекул АТФ

2. Одно из генетических нарушений аминокис­лотного обмена.В больницу доставлен двухлетний ребенок. По словам матери, он страдает частыми рвотами. Рвоты слу­чаются главным образом после приема пи­щи. Ребенок отстает в весе и физическом развитии. Волосы темные, но попадаются седые пряди. Проба мочи после добавления FeCl₃ приобрела зеленый цвет, что указы­вает на присутствие в моче фенилпировиноградной кислоты. Количественный анализ мочи дал следующие результаты:

Вещество	Содержание	в моче, ммоль/л
	у больного	в норме
Фенилаланин Фенилпируват Фениллактат	7,0 4,8 10,3	0,01

Какой фермент, по-видимому, неакти­вен? Почему в моче в больших количествах появляется фенилаланин? Что служит источником фенилпирувата и фениллактата? Почему этот путь (от­сутствующий у здоровых людей) на­чинает функционировать, когда концен­трация фенилаланина повышается?

3. Нуклеотиды - плохой источник энергии.У большинства организмов нуклеотиды не используются как топливо, т. е. как ис­точник энергии. Какими наблюдениями подкрепляется этот вывод? Почему ну­клеотиды являются относительно плохим источником энергии у млекопитаю­щих?

4. Причина мутации, приводящей к образова­нию серповидных эритроцитов.В гемогло­бине серповидных эритроцитов в 6-м по­ложении β-глобиновой цепи вместо глутаминовой кислоты (присутствующей в нормальном гемоглобине А) обнаружен валин. Какое изменение, произошедшее в кодоне для глутаминовой кислоты, при­вело к ее замене на валин?

5. Митохондрии бурого жира.У новоро­жденных детей в области шеи и в верхней части спины имеется особая жировая ткань, которая у взрослых практически отсутствует, так называемый бурый жир. Бурую окраску придают этой ткани мито­хондрии, которых в ней чрезвычайно много. У некоторых животных, впадаю­щих в зимнюю спячку или приспособленных к обитанию в холодных местно­стях, тоже имеется бурый жир. В то время как в митохондриях печени при окислении NADH на каждый атом поглощенного кислорода образуются обычно три моле­кулы АТР, в митохондриях бурого жира выход АТР на один атом поглощенного кислорода составляет менее одной моле­кулы.

а) Какая физиологическая функция может определяться этим низким отношением Р/О в буром жире новорожденных?

б) Укажите возможные механизмы, ко­торые могли бы определять столь низ­кое отношение Р/О, характерное для митохондрий бурого жира

Тренирующие задачи:

1. Ферментная недостаточность при угле­водном обмене. Ниже описаны четыре кли­нических случая. Назовите для каждого случая дефектный фермент и дайте со­ответствующие рекомендации, выбрав их из приложенного перечня. Укажите, на чем основано ваше решение. Ответьте на вопросы, приведенные в описании каждо­го из четырех случаев.

Случай 1. Больной не переносит молока. Как только он его выпьет, у него сразу же начинаются рвота и понос. Проведен тест на толерантность к лактозе. (Испы­туемый получает при этом определен­ное количество лактозы, после чего у не­го через соответствующие промежутки времени измеряют концентрацию глю­козы и галактозы в плазме крови. В нор­ме уровень этих Сахаров возрастает до максимума примерно через час, а затем снижается.) У больного в этом тесте концентрация глюкозы и галактозы в крови не возрастала, а оставалась по­стоянной. Объясните, почему у здо­ровых людей концентрация глюкозы и галактозы в крови сначала растет, а затем снижается. Почему у больного таких изменений не происходит?

Случай 2. У больного с умственной отста­лостью молоко вызывает рвоту и понос. В крови концентрация глюкозы низка, а концентрация редуцирующих Сахаров значительно выше нормы. В моче обна­руживается галактоза. Чем объясняется высокая концентрация редуцирующих Сахаров в крови? Почему в моче обна­руживается галактоза?

Случай 3. Больной страдает от судорог в мышцах при напряженной физической работе, но в остальном чувствует себя здоровым. Биопсия мышечной ткани выявила, что концентрация гликогена в мышцах этого больного гораздо выше нормы. Почему накапливается глико­ген?

Случай 4. Больная вялая, апатичная. Пе­чень увеличена; при биопсии печени об­наружен большой избыток гликогена. Концентрация глюкозы в крови ниже нормы. В чем причина пониженной кон­центрации глюкозы в крови этой боль­ной?

2. Потребление АТР корневыми клубеньками бобовых.Бактерии, обитающие в кор­невых клубеньках растения гороха, потре­бляют свыше 20% всего АТР, образуемого этим растением. Назовите причину, кото­рой можно было бы объяснить, почему эти бактерии потребляют так много АТР.

3. Нуклеотидная последовательность компле­ментарных цепей ДНК. Напишите нуклео-тидную последовательность одной цепи двухцепочечной ДНК, другая цепь которой имеет последовательность (5') ATGCCGTATGCATTC (3').

4. Трансляция мРНК.Предскажите амино­кислотную последовательность пептидов, синтезируемых в рибосомах в присут­ствии следующих матриц, считая, что считывание начинается с первого трипле­та на левом конце.

а) GGUCAGUCGCUCCUGAUU

б) UUGGAUGCGCCAUAAUUUGCU

в) CAUGAUGCCUGUUGCUAC

г) AUGGACGAA

5. Можно ли, исходя из аминокислотной по­следовательности полипептида, предсказать нуклеотидную последовательность его мРНК. Данная нуклеотидная после­довательность в мРНК кодирует при строго определенной рамке считывания одну и только одну последовательность аминокислот в полипептиде. Можно ли, исходя из данной последовательности аминокислотных остатков в белке, напри­мер в цитохроме с, предсказать нуклео­тидную последовательность единственной мРНК, кодирующей этот белок? Обо­снуйте ваш ответ.

6. Кодирование полипептида двухцепочечной ДНК. Транскрибируемая цепь двухцепочечной ДНК содержит последователь­ность

(5’) CTTAACACCCCTGACTTCGCGCCGTCG

а) Какая последовательность мРНК мо­жет транскрибироваться с этой цепи?

б) Какая аминокислотная последователь­ность могла бы кодироваться этой по­следовательностью при считывании с 5'-конца?

в) Предположим, что другая цепь этой ДНК тоже транскрибируется, а полу­ченная мРНК транслируется. Совпа­дает ли полученная аминокислотная последовательность с последователь­ностью, которую вы привели в ответе на вопрос б)? Объясните биологическое значение ваших ответов на вопросы б) и в).

7. Синтетические мРНК.Каким образом вы синтезировали бы полирибонуклеотид, который можно было бы использовать в качестве мРНК, кодирующей преимуще­ственно остатки фенилаланина и неболь­шое число остатков лейцина и серина? Ка­кие еще аминокислоты, но в гораздо меньших количествах, колировались бы таким полирибонуклеотидом ?

Контролирующие задачи:

1. ДНК человека.Чему равен вес моле­кулы двухцепочечной ДНК (в граммах) протяженностью от Земли до Луны ( ~ 384000 км)? Каждая тысяча нуклеотидных пар двойной спирали ДНК весит 1 • 10 ^-18 г. В одном километре содержится 1 • 10¹² нм, а размер одной пары оснований составляет 0,34 нм. Для сравнения интерес­но отметить, что в организме человека со­держится ~0,5 г ДНК.

2. Какова длина гена рибонуклеазы?Какое ми­нимальное число нуклеотидных пар содер­жится в гене, кодирующем панкреатиче­скую рибонуклеазу (124 аминокислоты)? Почему число нуклеотидных пар может оказаться гораздо большим, чем в вашем ответе? С чем связана такая неопределен­ность?

3. Упаковка ДНК в эукариотических клетках. Сравните длину ДНК в одной нуклеосоме с диаметром нуклеосомы, который равен 10-11 нм. Затем сравните длину всей ДНК в клетке человека с диаметром клеточного ядра - около 2 мкм. В какой из структур ДНК уложена более компактно?

4. Нуклеотидная последовательность ДНК.Почему при секвенировании ДНК химиче­ским методом молекула ДНК должна быть меченой только по одному концу, а не равномерно?

5. РНК-содержащие вирусы: могут ли гены состоять из РНК? В составе РНК-содержащих вирусов Е. coli ДНК нет, в них при­сутствует лишь РНК, которая выполняет роль вирусной хромосомы. Это означает, что в таких вирусах гены состоят из РНК, а не из ДНК. Опровергает ли это цен­тральную догму молекулярной генетики? Обоснуйте свой ответ.

6. Сколько разных мРНК может кодировать одну аминокислотную последователь­ность.Напишите все возможные последовательности мРНК, которые спо­собны кодировать простой трипептид Leu-Met-Tyr. Ответив на этот вопрос, вы получите некоторое представление о числе разных мРНК, которые могут ко­дировать один полипептид.

7. Как влияет изменение одного основания в мРНК на аминокислотную последова­тельность полипептида.Очень важные доказательства, подтверждающие пра­вильность расшифрованного генетическо­го кода, были получены при изучении при­роды мутаций, приводящих к замене одного остатка в аминокислотной после­довательности белка. Какая из перечис­ленных ниже замен одной аминокислоты на другую согласуется с генетическим ко­дом? Какая из замен не может быть ре­зультатом изменения одного-единственного основания в мРНК? Почему?

а) Phe → Leu

б) Lys → Ala

в) Ala → Thr

г) Phe → Lys

д) Ilе → Leu

е) His → Glu

ж) Pro → Ser