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.