Volume1

390 Часть 2. Основные генетические механизмы

способны осуществлять одинаковые функции. Следовательно, многие события дупликации, по всей вероятности, сопровождались мутациями с потерей функции в одном или другом гене соответствующей пары. Такой цикл функционально восстановил бы состояние с одним геном, которое предшествовало дупликации. И в самом деле, известно много примеров в современных геномах, где можно видеть, что одна из копий дуплицированного гена стала безвозвратно инактивированной в результате многократных мутаций. Через какое-то время подобие последовательностей между таким псевдогеном и функционально активным геном, удвоение которого и произвело этот псевдоген, как можно ожидать, будет размываться за счет накопления большого числа мутаций в псевдогене — и их гомологическую связь в конечном счете будет невозможно определить.

Альтернативная судьба дупликаций генов — когда обе копии остаются функционально активными, но при этом расходятся (дивергируют) в отношении своих последовательностей и профилей экспрессии и, таким образом, начинают играть различные роли. Такой процесс «удвоения и расхождения», или дупликации и дивергенции, почти наверняка объясняет присутствие в биологически сложных организмах крупных семейств генов со схожими функциями и, как думают, играет определяющую роль в эволюции возрастающей биологической сложности. Просмотр многих различных геномов эукариот показывает, что вероятность того, что любой отдельно взятый ген подвергнется событию дупликации, которое распространится на большинство особей вида или даже на весь вид, равна приблизительно 1 % на миллион лет.

Дупликация полных геномов демонстрирует особенно впечатляющие примеры цикла дупликации-расхождения. Дупликация целого генома может произойти весьма просто: все, что для этого требуется, — один круг репликации генома в зародышевой линии клеток без соответствующего деления клеток. Первоначально число хромосом просто удваивается. Такие резкие увеличения плоидности организма обычны,

вособенности у грибов и растений. После дупликации целого генома все гены существуют в виде удвоенных копий. Однако если событие дупликации произошло столь давно, что прошло достаточно много времени для последующих изменений

вструктуре генома, то результаты ряда сегментных дупликаций, — происходящих

вразличные моменты времени — очень трудно отличить от конечного продукта дупликации полного генома. У млекопитающих, например, роль дупликации целого генома, в отличие от ряда происходящих по частям дупликаций сегментов ДНК, совершенно непонятна. Тем не менее совершенно ясно, что в далеком прошлом имело место большое число дупликации генов.

Анализ генома полосатого данио, в геноме которого либо случилась дупликация целого генома, либо произошел ряд более локальных дупликаций сотни миллионов лет назад, пролил немного света на процесс дупликации и расхождения генов. Хотя многие дубликаты генов полосатого данио, кажется, потеряны по причине мутаций, существенная доля — возможно, не менее 30–50 % — отклонилась функционально, при том что обе копии остались активными. Во многих случаях наиболее очевидное функциональное различие между дуплицированными генами состоит в том, что они экспрессируются в разных тканях или на разных стадиях развития (см. рис. 22.46). Одна привлекательная теория, призванная объяснить такой конечный результат, основана на представлении о том, что в обеих копиях набора удвоенных генов быстро происходят разные умеренно пагубные мутации. Например, одна копия может потерять экспрессию в определенной ткани в результате регуляторной

Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 391

мутации, в то время как другая копия теряет экспрессию во второй ткани. После такого стечения обстоятельств обе копии гена должны будут обеспечивать полный набор функций, которые выполнялись в свое время одним-единственным геном; следовательно, обе копии будут теперь защищены от потери из-за инактивирующих мутаций. За более длительный период каждая из копий может впоследствии подвергнуться дальнейшим изменениям, посредством которых приобретет новые, специализированные свойства.

4.5.11.  Эволюция семейства генов глобина показывает, какой вклад дупликация ДНК вносит в эволюцию организмов

Семейство генов глобина представляет особенно хороший пример того, как дупликация ДНК производит на свет новые белки, потому что история его эволюции была восстановлена с особенной тщательностью. Несомненные подобия в аминокислотной последовательности и структуре, наблюдаемые среди современных глобинов, указывают на то, что все они должны происходить от общего предкового гена, даже при том, что теперь некоторые из них кодируются далеко разнесенными генами в геноме млекопитающих.

Часть событий прошлого, которые произвели различные типы несущих кислород молекул гемоглобина, мы можем восстановить, рассматривая различные формы этого белка в организмах, пребывающих на различных ветвях филогенетического древа жизни. Молекула наподобие гемоглобина была необходима для того, чтобы многоклеточные животные могли вырасти до больших размеров, так как крупные животные уже не могли полагаться на простую диффузию кислорода через поверхность тела, чтобы адекватно снабжать свои ткани кислородом. Как следствие, подобные гемоглобину молекулы встречаются у всех позвоночных и многих беспозвоночных. Самая примитивная переносящая кислород молекула у животных — полипептидная цепочка глобина длиной приблизительно 150 аминокислот, которая обнаружена у многих морских червей, насекомых и примитивных рыб. Однако у более сложных позвоночных молекула гемоглобина состоит из цепей глобина двух видов. Кажется, что приблизительно 500 миллионов лет назад, во время продолжающейся эволюции рыб, произошла серия мутаций и дупликаций генов. Эти события утвердили два несколько разнящихся гена глобина, кодирующих цепи α- и β-глобина в геномах всех особей. У современных позвоночных каждая молекула гемоглобина представляет собой комплекс из двух α-цепей и двух β-цепей (рис. 4.86). Четыре кислородсвязывающих участка в молекуле α2β2 взаимодействуют между собой так, что при связывании и высвобождении кислорода в молекуле гемоглобина происходят кооперативные аллостерические изменения, благодаря чему такой гемоглобин связывает и выделяет кислород более эффективно, чем его одноцепочечный вариант.

Еще позже, во время эволюции млекопитающих, ген β-цепи, очевидно, подвергся дупликации и мутации и дал начало второй β-подобной цепи, которая синтезируется исключительно у плода. Получающаяся молекула гемоглобина имеет более высокое сродство к кислороду, чем гемоглобин взрослого, и, таким образом, способствует переносу кислорода от матери к плоду. Впоследствии ген новой β-подобной цепи снова был дуплицирован и мутирован и дал два новых гена — ε и γ; сейчас ε-цепь продуцируется на более ранних стадиях развития плода (и образует α2ε2), чем γ-цепь, которая формирует α2γ2. Еще позже, во время эволюции приматов, произошла дупликация гена β-цепи взрослого, что дало начало гену δ-глобина и, таким образом, второстепенной форме гемоглобина (α2δ2), которая обнаружена только у взрослых приматов (рис. 4.87).

392 Часть 2. Основные генетические механизмы

Рис.4.86.Сравнениеструктуродноцепочечныхичетырехцепочечныхглоби-

нов. Показанный четырехцепочечный глобин — гемоглобин, который представляет собой комплекс двух цепей α-глобинаидвухцепейβ-глобина.Одно- цепочечный глобин, свойственный некоторым примитивным позвоночным, образуетдимер,которыйдиссоциирует, когда связывает кислород, и представляетсобойпромежуточноезвеновэволюциичетырехцепочечногоглобина.

Каждый из таких дублированных генов был видоизменен точечными мутациями, которые затрагивают свойства конечной молекулы гемоглобина, а также изменениями в регуляторных областях, которые определяют время и уровень экспрессии

гена. В результате все эти глобины вырабатываются в различных количествах и в разные временные периоды развития

человека (см. рис. 7.64, б). Конечный результат процессов дупликации генов, в силу которых возникло все

многообразие цепей глобина, ясно прослеживается на генах человека, произошедших от первоначального β-гена: они устроены в виде ряда гомологичных последовательностей ДНК, расположенных друг за другом и имеющих размеры в преде-

лах 50 000 пар нуклеотидов. Подобная группа генов α-глобина расположена на отдельной хромосоме человека. Поскольку группы генов α- и β-глобина у птиц и млекопитающих находятся на отдельных хромосомах, а у лягушки Xenopus расположены вместе, считается, что событие

Рис.4.87.Схемаэволюциицепейглобина,переносящихкислородвкровиживотных.Схемасосре-

доточенанасемействегеновβ-подобногоглобина. Относительно недавняя дупликация гена γ-цепи произвелаγG иγA,которыеявляютсясвойственными плоду β-подобными цепями с тождественной функцией.Местоположениегеновглобинавгеномечеловекапоказановверхнейчастирисунка(см. такжерис.7.64).

Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 393

хромосомной транслокации разделило эти две группы генов около 300 миллионов лет назад (см. рис. 4.87).

В группах генов α- и β-глобина есть несколько дублированных последовательностей ДНК глобина, которые являются не функционально активными генами, но псевдогенами. Они очень близки последовательностям с функционально активными генами, но были выведены из строя мутациями, которые препятствуют их экспрессии. Существование таких псевдогенов проясняет и делает очевидным тот факт, что, как и следует ожидать, далеко не каждая дупликация ДНК ведет к появлению нового функционально активного гена. Мы знаем также и то, что последовательности функционально неактивной ДНК долго не отвергаются, о чем свидетельствует большой избыток некодирующей ДНК, которой заполнены геномы млекопитающих.

4.5.12.  Гены, кодирующие новые белки, могут быть результатом рекомбинации экзонов

Роль дупликации ДНК в эволюции не сводится только к распространению семейств генов. Это событие может происходить также и в меньшем масштабе и создавать отдельные гены, стягивая вместе короткие дуплицированные сегменты ДНК. Белки, кодируемые генами, образованными таким способом, могут быть идентифицированы по наличию повторяющихся подобных белковых доменов, которые ковалентно связаны друг с другом в последовательность. Например, иммуноглобулины (рис. 4.88) и альбумины, а также и большинство фибриллярных белков (таких как коллагены), кодируются генами, которые эволюционировали посредством повторных дупликаций исконной последовательности ДНК.

В генах, которые эволюционировали таким способом, а также и во многих других генах каждый отдельный экзон часто кодирует отдельную единицу укладки белка, или домен. Считается, что организация кодирующих последовательностей ДНК в виде ряда таких экзонов, разделенных длинными интронами, во многом способствовала эволюции новых белков. Дупликации, необходимые для образования отдельного гена, кодирующего белок с повторяющимися доменами, могут, например, часто происходить путем разрыва и воссоединения ДНК в каких-нибудь позициях длинных интронов, лежащих по обе стороны от экзона; без интронов в исходном гене было бы лишь несколько участков, в которых рекомбинационный обмен между молекулами ДНК мог бы привести к дублированию домена. Благодаря возможности дублирования путем рекомбинации на многих потенциаль-

Рис. 4.88. Схематическое представление молекулы антитела (иммуноглобулина). Эта молекула представ-

ляет собой комплекс, состоящий из двух идентичных тяжелыхцепейидвухидентичныхлегкихцепей.Каждая тяжелая цепь содержит четыре подобных ковалентно связанных домена, тогда как каждая легкая цепь содержит два таких домена. Каждый домен кодируется отдельным экзоном, и все экзоны, как думают, эволюционировали путем серии дупликаций единственного предковогоэкзона.

394 Часть 2. Основные генетические механизмы

ных участках, а не только в нескольких, интроны увеличивают вероятность благоприятного события дупликации.

В более общем смысле можно сказать, что из последовательностей генома мы знаем, что различные части генов — как их отдельные экзоны, так и их регуляторные элементы, — служили модульными элементами, которые подвергались дупликации и перемещались по геному, в результате чего возникло величайшее многообразие живых существ. Так, например, многие современные белки скроены, подобно лоскутному одеялу, из доменов различного происхождения, что отражает их долгую историю эволюции (см. рис. 3.19).

4.5.13.  Нейтральные мутации часто распространяются и закрепляются в популяции с вероятностью, зависящей от размера популяции

При сравнении двух видов, которые расходились один от другого в течение миллионов лет, нет особой разницы, какие особи от каждого из этих видов подлежат сравнению. Например, типичные последовательности ДНК человека и шимпанзе отличаются друг от друга примерно на 1 %. Напротив, когда одна и та же область генома отобрана от двух разных людей, различия, как правило, составляют менее 0,1 % (внутривидовой полиморфизм, напрмер у дрозофилы, составляет примерно 1 %, а у асцидий может достигать 10 % — прим. ред.). У более отдаленно связанных организмов межвидовые различия затмевают внутривидовую изменчивость еще более впечатляюще. Однако каждое «закрепленное различие» между человеком и шимпанзе (иными словами, каждое различие, которое в настоящее время является характерным для всех или почти всех представителей обоих видов) возникло как новая мутация в геноме какой-то одной особи. Если размер популяции с внутривидовым скрещиванием особей, в которой произошла мутация, равен N, то начальная частотность аллеля новой мутации будет равна 1/(2N) для диплоидного организма. Как столь редкая мутация становится закрепленной в популяции и, следовательно, становится характеристикой вида, а не конкретного отдельно взятого генома?

Ответ на этот вопрос зависит от функциональных последствий мутации. Если мутация оказывает весьма пагубное воздействие на организм, то она попросту будет изъята естественным отбором и, таким образом, не получит закрепления. (В самом крайнем случае особь, несущая в себе эту мутацию, умрет, не дав потомства.) Наоборот, редкие мутации, которые придают унаследовавшим их особям значительное преимущество в плане воспроизводства, могут быстро распространиться

впопуляции. Поскольку людям свойственно половое размножение и при всяком образовании гаметы происходит генетическая рекомбинация (обсуждается в главе 5), геном каждого представителя, который унаследовал данную мутацию, будет представлять собой уникальную рекомбинационную мозаику сегментов, унаследованных от большого числа предков. Отобранная мутация, наряду с близлежащей последовательностью,— в конечном счете унаследованной от особи, в которой мутация произошла, — будет всего лишь одним из элементов в этой огромной мозаике.

Подавляющее большинство мутаций, которые не приносят вреда, не дают вместе с тем и никакой выгоды. Такие нейтральные для отбора мутации также могут распространяться и получать закрепление в популяции – и они вносят большой вклад

вэволюционное изменение геномов. Их распространение не столь стремительно, как распространение редких чрезвычайно полезных мутаций. Процесс, которым такое нейтральное генетическое видоизменение передается последующим поколениям в идеализированной внутренне скрещивающейся популяции, может быть математически

Глава 4. ДНК, хромосомы и геномы 395

описан уравнениями, которые удивительно просты. Идеализированная модель, которая оказалась наиболее полезной для анализа генетической изменчивости у человека, основана на допущении о постоянном размере популяции и случайном скрещивании, а также о нейтральности мутаций для отбора. Хотя ни одно из первых двух допущений не подходит для описания истории популяции человека, они тем не менее служат удобной отправной точкой для анализа внутривидовой изменчивости.

Когда новая нейтральная мутация возникает в стационарной популяции размера N, в которой происходит случайное спаривание, вероятность того, что эта мутация в конечном счете станет закрепленной, приближенно равна 1/(2N). Для тех мутаций, которые становятся закрепленными, среднее время закрепления приблизительно равно 4N поколений. Доскональный анализ данных о генетической изменчивости человека предполагает размер популяции предков приблизительно 10 000 в течение периода, когда текущая картина генетической изменчивости в основном устанавливалась. Для популяции, достигшей этого объема, вероятность того, что новая нейтральная для отбора мутация станет закрепленной, невелика (5·10–5), тогда как среднее время для закрепления будет порядка 800 000 лет (при допущении о 20 летнем сроке смены поколений). Таким образом, исходя из того что, как мы знаем, популяция человека выросла гигантскими темпами со времени развития земледелия около 15 000 лет назад, основная доля современного набора общих генетических вариантов человека отражает смесь вариантов, которые уже присутствовали задолго до этого времени — тогда, когда популяция человека была еще слишком мала, для того чтобы они могли распространиться среди всех ее членов.

4.5.14.  Многое можно узнать, изучая изменчивость у людей

Даже при том что основная доля изменчивости среди современных людей проистекает из изменчивости, имевшей место в сравнительно крошечной группе предков, число видоизменений очень велико. Одним важным источником изменчивости, о котором не было известно долгие годы, является наличие многочисленных дупликаций и удалений (делеций) крупных блоков ДНК. Согласно одной оценке, когда любой отдельно взятый человек сравнивается со стандартным опорным геномом, занесенным в базу данных, можно ожидать обнаружения примерно 100 различий, в том числе представленных длинными блоками последовательности. Одни из таких «вариаций числа копий» будут встречаться довольно часто (рис. 4.89), тогда как другие будут наличествовать только у меньшинства людей (рис. 4.90). В первичной выборке почти половина будет содержать известные гены. В ретроспективном ракурсе такой тип изменчивости неудивителен, учитывая историю эволюции геномов позвоночных, богатую приобретениями ДНК и потерями ДНК (например, см. рис. 4.79).

Внутривидовые видоизменения, которые были наиболее интенсивно охарактери-

зованы, — полиморфизмы отдельных нуклеотидов (single-nucleotide polimorphisms — SNP). Это попросту точки в последовательности генома, в которых одна весомая доля популяции человека имеет один нуклеотид, тогда как другая значительная доля имеет другой нуклеотид. Два генома человека, выбранных в популяции современного мира наугад, будут отличаться приблизительно в 2,5·106 таких участков (то есть на 1 из 1 300 пар нуклеотидов). Как будет описано в кратком обзоре генетики в главе 8, картированные участки в геноме человека, которые являются полиморф- ными, — это означает, что есть достаточная вероятность (обычно более 1 %) того, что геномы двух индивидуумов будут отличаться на этом участке, — являются чрезвычайно полезными для проведения генетического анализа, в котором иссле-

396 Часть 2. Основные генетические механизмы

Рис.4.89.Зрительноеотображениечастоготипаполимор-

физмасредилюдей.Околополовиныобследованныхлюдей имелоподевятькопийгенаамилазы(слева),которыйкодируетважныйфермент,переваривающийкрахмал.Удругих людей обнаружена или потеря ДНК, или дополнительная ДНК, что дало начало видоизмененной хромосоме, имеющейлибоделецию(потеря),либодупликацию(дополнение) вэтойобласти.Чтобыполучитьэтиизображения,растянутые волокнахроматинагибридизировалисокрашеннымивразныйцветзондами,нацеленныминадваконцагенаамилазы, какипоказанонарисунке.Синиелинииобозначаютобщие путихроматина.Онибылиопределенывторымкрасителем исмещенынаоднусторонудляясностикартины.(Перерабо-

танонаосновеA. J. Lafrateetal.,Nat.Genet.36:949–951,2004.

СвеликодушногоразрешенияMacmillanPublishersLtd.)

дователь пытается связать определенные черты

(фенотипы) с определенными последователь-

ностями ДНК для медицинских или научных

целей (см. разд. 8.5.7).

На фоне обычных полиморфизмов SNP типа, унаследованных от наших доисторических предков, выделяются некоторые последовательности с исключительно высокой частотой мутаций. Впечатляющим примером служат СА-повторы, которые являются вездесущими в геноме человека и в геномах других эукариот. Последовательности с мотивом (СА) n реплицируются с относительно низкой точностью из-за проскальзывания, которое происходит между матричной и новосинтезированной

нитями в ходе репликации ДНК; следовательно,

точное значение n может изменяться в широком диапазоне от одного генома к другому. Такие повторы служат идеальными генетическими маркёрами на основе ДНК, так как большинство людей гетерозиготны — несут два значения n в любом отдельном СА-повторе, унаследовав одну длину повтора (n) от своей матери, дру-

гую длину повтора — от своего отца. Поскольку величина n изменяется достаточно редко, так как в большинстве случаев передача СА-повторов от родителя к ребенку воспроизводится точно, потому изменения достаточно часты, для того чтобы поддерживать высокие уровни гетерозиготности в популяции человека. Поэтому эти и некоторые другие простые повторы, которые демонстрируют исключительно высокую изменчивость, обеспечивают основу для идентификации индивидумов на основе анализа ДНК – при расследовании преступлений, тяжбах по установлению отцовства и других судебных процессах (см. рис. 8.47).

Тогда как большинство полиморфизмов SNP-типа и вариаций числа копий в последовательности генома человека, как думают, никак не влияет на фенотип,