Организация глобиновых генов

Проследим развитие эритроцита. Путь к образованию взрослого гемоглобина включает три стадии. На разных стадиях развития человека обнаруживаются разные типы гемоглобинов, которые до сих пор до конца не изучены.

На ранних стадиях развития зародыша образуется промежуточная форма эритроцитов. Это, так называемые, мегалобласты (от греческого m?gas – род. падеж – большой, и blastos – росток, зародыш). Первоначально, у зародышей высших позвоночных, они образуются в сосудах желточного мешка, а затем в красном костном мозге из стволовых кроветворных клеток. Это – крупные, способные к делению клетки. В процессе созревания ядро уплотняется, пикнотизируется, накапливается гемоглобин, теряется способность к делению и они превращаются в мегалоциты.

Мегалоциты ( ????? (megas) /греч./ - «большой» и ????? (kytos) – «вместилище», «клетка») – красные кровяные клетки зародыша высших позвоночных – первичные эритроциты.

Во второй половине внутриутробной жизни новообразование мегалобластов прекращается, они полностью исчезают из организма и могут встречаться в периферической крови только в патологических случаях. После рождения их функцию выполняют вторичные или истинные эритроциты.

На восьмой неделе развития эмбриональные гемоглобины меняются на гемоглобины плода, так называемый фетальный гемоглобин, который имеет более высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин взрослых организмов, что весьма важно для развивающегося плода. Это событие совпадает с окончанием органогенеза.

Таким образом, гены глобинов организованы в виде кластеров, в которые входят различные типы гемоглобинов: эмбриональные, гемоглобины плода и взрослого человека.

В глобиновые кластеры входят и функционально неактивные гены – псевдогены, которые возможно экспрессируются в течение короткого времени. Так ?-кластер включает в себя пять функционально активных генов – ген ?, два гена ?, ген ?, ген ? и один псевдоген. А ?-кластер состоит из одного активного гена ?, одного псевдогена ?, двух генов ?, и одного псевдогена ?.

«Псевдогены – это реликты эволюции, когда-то, по-видимому, функционировавшие, но теперь ставшие неактивными, накопившими значительное число мутационных изменений»(Льюин Б. Гены. Часть VI, гл. 21, стр.268.).

К функционально активным генам человека относятся два ?-гена, кодирующих один и тот же белок, довольно близкие по структуре ? и ?-гены и два практически идентичных ?-гена. Эти сравнительно недавно возникшие независимые дупликации сохранились в популяции, не говоря уже о более давних дупликациях, которые привели к образованию различных типов генов. Другие дупликации, возможно, привели к возникновению псевдогенов или были утеряны.

«Рассматривая структуру прерывистых эукариотических генов, иногда занимающих весьма протяженные участки ДНК, можно представить себе эукариотический геном как море интронов (нуклеотидные последовательности которых не всегда уникальны), в котором растянутые вереницей островки экзонов (иногда очень короткие) образуют отдельные архипелаги, представляющие собой гены. Сопоставляя соответствующие друг другу экзоны в родственных генах, можно обнаружить их сходство, что подчеркивает важную роль дупликаций в эволюции генов как механизма образования новых генов. Одна из копий может эволюционировать в результате мутаций, тогда как другая сохраняет свою первоначальную функцию, так что, по-видимому, история гена складывается из ряда событий, начинающихся с объединения экзонов, составляющих ген, с образованием кодирующего участка; вполне возможно, что позже вся группа экзонов и интронов, формирующих ген дуплицировалась. За дупликацией могла последовать относительно небольшая дивергенция нуклеотидных последовательностей экзонов и более значительная дивергенция последовательностей интронов. Таким образом, нуклеотидные последовательности родственных генов позволяют нам восстановить историю их эволюции.

Набор генов, происшедших путем дупликаций и изменений от некоторого гена-предка, называются семейством генов. Члены одного семейства могут быть расположены рядом или разбросаны по разным хромосомам (или их расположение может представлять собой сочетание этих двух вариантов). Кластеры генов имеют различную организацию – начиная от ситуации, когда в результате дупликации возникают два, расположенных рядом сходных гена, до случаев, когда сотни идентичных генов расположены рядом в виде тандема. Ситуации, при которых родственные гены разбросаны по разным участкам генома, по-видимому, возникли в результате транслокации, происшедшей уже после дупликаций.

Члены одного семейства структурных генов имеют сходные или идентичные функции, хотя они могут экспрессироваться в разное время или в клетках разных типов. …Иногда для образования слегка различающихся белков, необходимых при определенных обстоятельствах, требуется меньшая степень повторяемости. Например, в эмбриональных и взрослых клетках красной крови синтезируются разные глобины»(Льюин Б. Гены. Часть VI, гл.21, стр.268.).

Так эмбриональные гемоглобины (до восьмой недели развития), содержат тетрамеры гемоглобина, отличающиеся от гемоглобина клеток взрослого организма. Такие эмбриональные тетрамеры состоят из двух идентичных ?-подобных цепей и двух идентичных ?-подобных цепей, каждая из которых сходна с полипептидной цепью взрослого организма и позднее заменяется на нее.

Всё семейство ?-подобных полипептидных цепей способно взаимодействовать с ?-цепями. А ?-цепь относят к ?-подобным на основе её способности взаимодействовать с эмбриональными ?-подобными цепями. Каждый тип глобина кодируется генами, организованными в виде единого кластера. У человека ?-кластер располагается в 11-й хромосоме, а ?-кластер – в 16-й.

Сложное строение кластеров глобиновых генов, наличие родственных и идентичных генов дают множество возможностей для осуществления перестроек внутри кластера. Например, размер кластера может вырасти или уменьшиться в результате неравного кроссинговера. Последствия такого кроссинговера могут быть самыми серьезными. Так талассемия может возникнуть при мутации, нарушающей синтез либо ?-, либо ?-глобина. А полное отсутствие ?-генов, например, приводит к водянке плода, и он погибает до, или во время родов. Серьезным препятствием для неравного кроссинговера является наличие интронов.

Надо сказать, что интроны свойственны только эукариотической клетке, у прокариотов их не было.

В ?-кластере неправильное спаривание происходит чаще, чем в ?-кластере, чему видимо способствует то, что интроны ?-генов значительно короче.

Интересно, что талассемия наиболее распространена в определенных популяциях людей, например среди жителей Средиземноморья.

Гемоглобин типа Lepore представляет собой пример делеции, возникающей в результате неравного кроссинговера между генами одного кластера, в результате чего гены соединяются, и помимо нормальных генов ?- и ?-глобинов имеют слившийся ген ??.

Вообще, обнаружено много делеций, приводящих к нарушению синтеза ?- и ?-цепей глобина. Наличие делеций при различных формах талассемии человека свидетельствует о том, что неравный кроссинговер продолжает осуществляться в обоих кластерах глобиновых генов. Поразительно, что когда ученые пытались размножить кластеры генов путем клонирования в клетках E.coli, то в бактериальной клетке происходила перестройка генов, приводящая к таким же результатам, которые наблюдаются и в природной человеческой популяции.

Иногда талассемия возникает на уровне сплайсинга, то есть процесса удаления интронов и объединения экзонов в мРНК.

«В одном случае при ?+-талассемии имеется единственная точковая мутация, находящаяся на расстоянии 21 п.н. от правого конца малого (первого) интрона. Она приводит к замене нуклеотидного основания G в последовательности дикого типа на А; в результате образуется мутантная последовательность.

Последовательность, содержащая мутировавший сайт, практически идентична последовательности, содержащей границы сплайсинга; мутация приводит к тому, что шесть из семи оснований оказываются гомологичными. …Из-за такого сходства, сплайсинг осуществляется по мутантному сайту вместо нормального»(Льюин Б. Гены. Часть VII, гл.25, стр.327-328.).

Можно построить эволюционное дерево для кластера глобиновых генов человека. При этом мы увидим, что свойства получивших развитие в процессе эволюции до разделения млекопитающих на виды, обнаруживаются у всех млекопитающих, а далее эволюция следует независимо у разных видов животных. При этом наблюдается различие в числе генов.

Когда ген дублирован, то при накоплении мутаций в одном из них, другой будет по-прежнему кодировать необходимую кислотную последовательность. При этом накопление мутаций может приводить к появлению новой функции гена, и мутантный ген становится доминантным, или же к его исчезновению – псевдоген. Полезная мутация может вовлечь другой ген тоже, так как будто они представляют собой один локус. Такое явление называется сопряженной эволюцией. Осуществляют этот процесс ферменты, способные удалять основание и заменять его на другое. Псевдогены сходны с активными генами, но не могут экспрессироваться с образованием функционально активного белка. Обычно псевдоген несет несколько вредных мутаций. Это может быть нарушение рамки считывания, или нарушение инициирования транскрипции. Можно рассчитать время, когда активный ген превращается в псевдоген.

Ген??3 мыши имеет интересную особенность: у него полностью отсутствуют оба интрона. Возможно, в этом сыграла роль матричная РНК. Она могла обеспечивать, например, встраивание в геном обратного транскрипта (возможно осуществляемого ретровирусом), или могло произойти спаривание мРНК с одной из цепей ДНК на одной из стадий процесса рекомбинаций. О возможности встраивания последовательности, синтезированной на РНК, говорит тот факт, что такие псевдогены могут быть расположены на любом участке генома, и даже необязательно на той же хромосоме, что и активный ген.

Наука считает псевдогены тупиками эволюции, но тогда непонятно почему они до сих пор, спустя миллионы лет, находятся в геноме. Возможно, они представляют собой дополнительные последовательности, связанные с осуществлением функций, но не участвующие в ее реализации.