Пути усложнения геномов. Генные сети
Рост сложности организмов – глобальный вопрос эволюции. Следует сразу отметить, что единого интегрального определения биологической сложности до сих пор нет. Однако можно сказать, что в основе биологической сложности эукариотических организмов лежит блочно-модульный принцип организации их геномов и сложные механизмы, обеспечивающие реализацию генетического материала. Расшифровка геномов выявила ряд закономерностей: 1) сложность прокариот в целом коррелирует с размерами геномов и числом генов; 2) наблюдается рост размера геномов и числа генов при переходе от прокариот к эукариотам и от одноклеточных к многоклеточным; 3) у эукариот отсутствует связь между биологической сложностью и числом генов. Последний результат был обескураживающим. Например, Drosophila melanogaster содержит всего 13 600 генов, а более простой круглый червь Caenorhabditis elegans – 19 000 генов. Удивительно, что человек и рыба фугу имеют примерно равное количество генов – 30 000–40 000. С другой стороны, оказалось, что базовые процессы жизнедеятельности кодируются сравнительно небольшим числом генов, пул которых, вероятно, сформировался на заре эволюции при участии горизонтального переноса генетической информации и с тех пор характеризуется значительным сходством и эволюционной стабильностью у эукариот и архей, с одной стороны, и у бактерий –с другой. Однако в ходе усложнения биологической организации возрастала доля некодирующей ДНК, значительная часть которой играет важную роль в регуляции экспрессии генов.
Увеличение геномов эукариот требовало в первую очередь упаковки крупных молекул ДНК в ядре. Для формирования структуры хроматина (нуклеосомной структуры), обеспечивающей высокую степень компактизации геномной ДНК в ядре, необходимы определенные короткие последовательности нуклеотидов, определяющие конформационные свойства ДНК, оптимальные для взаимодействия с гистоновым октамером. При этом нуклеосомы должны формироваться в среднем на расстоянии 150–250 пар нуклеотидов. Предполагается, что последовательности нуклеотидов кодирующих участков генов, не способные формировать стабильные нуклеосомы, были разделены интронами. Это привело к возникновению мозаичной структуры генов эукариот (экзон-интронной организации) и к усложнению регуляции экспрессии генов.
У прокариот регуляция экспрессии генов идет в основном на уровне транскрипции и трансляции. У эукариот помимо этого регуляция работы генов осуществляется на уровне сплайсинга и процессинга РНК, упаковки хроматина, транспорта РНК, пространственного распределения хромосом в ядре. Причем на каждом из этих уровней возможна своя комбинаторика.
В настоящее время любой фенотипический признак рассматривается как результат работы определенной генной сети, т. е. группы координированно функционирующих генов. Генная сеть состоит из центрального регулятора (ЦР), белковой (транскрипционный фактор, s-фактор), нуклеиновой (миРНК, киРНК у эукариот, малые РНК у прокариот) или белково-нуклеиновой природы и группы генов (кассет), содержащих в своих регуляторных районах сайты связывания ЦР. Координация экспрессии генов кассеты обеспечивается ЦР, получающим сигналы от внешней среды через рецептор. Следовательно, длина регуляторных районов генов и их насыщенность сайтами связывания должны коррелировать со сложностью генных сетей, указывая на число регуляторных связей, замкнутых на ген. Действительно, регуляторные районы генов эукариот по сравнению с прокариотами очень велики.
Анализ информации из базы данных GeneNet, а также из имеющихся литературных данных позволяет выделить несколько основных типов генных сетей.
1. Генные сети, обеспечивающие осуществление циклических процессов, например, клеточного цикла, цикла сокращения сердечной мышцы и т.д.
2. Генные сети, обеспечивающие процессы роста и дифференцировки клеток, морфогенеза тканей и органов, роста и развития организмов.
3. Генные сети, обеспечивающие гомеостаз биохимических и физиологических параметров организма.
4. Генные сети, обеспечивающие реакции организмов на изменение состояния внешней среды, например, стрессовый ответ.
С ростом числа уровней регуляции сложность генных сетей растет экспоненциально.
В иерархически организованной генной сети управляющие сигналы идут не только от более высоких уровней к более низким, но и в обратном направлении. При этом сигналы могут иметь как положительный (активирующий), так и отрицательный (подавляющий) характер и реализоваться через разнообразные регуляторные контуры с положительными (дифференцировка клеток, морфогенез тканей и органов, рост и развитие организмов) и отрицательными обратными связями (липидный метаболизм: образование холестерина).
Таким образом, оперонная структура, оптимизируя регуляцию, ослабляет эволюционную лабильность и тем самым препятствует кардинальному усложнению генома прокариот. Развитие блочно-модульного принципа организации генома, возможно первоначально связанное с необходимостью компактизации большого количества ДНК эукариот, в ходе эволюции вылилось в формирование сложной иерархизированной системы упаковки ДНК в структуру хроматина (нуклеосомные, соленоидные, петлевые, форум-доменные). Формирование таких структур, в свою очередь, потребовало развития «некодирующих» последовательностей (интроны, повторы, SAR и др.), которые сами явились границами новых блоков генома, предоставляя новые возможности как для комбинаторной эволюции, так и для оптимальной регуляции генома. Возникновение у эукариот комбинаторных механизмов регуляции транскрипции, экзон-интронной структуры, механизмов альтернативного сплайсинга и эпигенетических механизмов, создало основы для исключительно эффективного способа кодирования огромного разнообразия вариантов одного и того же белка, сделало ненужным дальнейшее радикальное увеличение их геномов. Это эволюционное приспособление широкого профиля, позволяющее эукариотам фактически безгранично наращивать сложность генетических программ экспрессии индивидуальных генов без необходимости существенного увеличения размеров геномов. Возможно, этим частично и объясняется замораживание сложности геномов эукариот по числу содержащихся в них генов на уровне 15 000–30 000. Количество генов в геномах значительной части видов растений, беспозвоночных и млекопитающих попадает в этот интервал, несмотря на огромные различия в морфологической сложности этих организмов, в механизмах их онтогенеза и адаптации к изменениям в окружающей среде.