4.3. Развитие генома

Какие же изменения произошли с геномом в ходе эволюции? Во-первых, изменилась относительная частота определенных нуклеотидных последовательностей. Во-вторых, общее количество ДНК сначала увеличилось, а на поздних этапах уменьшилось.

Хайнгарднер (Hinegardner, 1976) разделил вес организмы на четыре класса, исходя из содержания в них ДНК (рис. 4.6).

К первому классу он отнес прокариот. Они не могут вырабатывать большое количество ДНК, так как у них отсутствует механизм ее равномерного распределения в процессе клеточного деления.

Второй класс составляют грибы.

К третьему классу относятся большая часть животных и многие растения. У видов внутри этого класса обнаружена наибольшая гетерогенность в отношении их среды обитания, анатомии и физиологии.

К четвертому классу принадлежит целый ряд относительно примитивных растений (в том числе голосеменных), саламандры и некоторые примитивные рыбы. Большинство из этих видов высоко специализированнные формы.

Слишком большое количество ДНК причиняет организму только вред. Как у животных, так и у растений существуют филогенетические линии, которые эволюционируют очень медленно. Как правило, они содержат больше ДНК, чем родственные виды быстро развивающихся групп. В качестве примера можно привести Psilophida, двуякодышащих и кишечнополостных. Большая часть их генома не несет никакой информации, и избыточное количество ДНК, очевидно, препятствует эффективной изменчивости организма. Чем более постоянна окружающая среда, тем меньше скорость эволюции существующих в этой среде видов. Глубоководные виды рыб, живущие в чрезвычайно постоянной, но в то же время очень специфической среде, обладают ДНК-богатым геномом по сравнению с рыбами, живущими у поверхности воды в зоне, подверженной сильным изменениям. А наземные позвоночные обычно содержат еще меньше ДНК, чем водные.

Отвечая на вопрос: Как развивался геном эукариотов? - прежде всего следует выяснить каким образом могло происходить увеличение его размеров. Самым простым ответом на этот вопрос был бы такой: геном возник в результате многократных, следующих друг за другом дупликаций. Однако такой ответ не проясняет нам каким образом происходило разделение функций. Возможной подсказкой здесь является изучение строения белков. Например, прекрасным примером служат антитела. В сильно упрощенном виде молекулу антитела можно изобразить следующим образом:

(VH)(CH1)(CH2)(CH3).

Все четыре участка гомологичны друг другу, и соответствующие им гены, по-видимому, произошли от одного общего предкового гена. Такая структура может возникнуть в результате дупликации какого-либо одного структурного гена. Конечно простое увеличение копий ДНК не приводит к появлению новых функций (как в случае полиплоидов), однако при однократном удвоении генома обе его части могут развиваться дальше и накапливать разные мутации независимо друг от друга.

Генная инженерия (Дополнительно)

Поскольку последовательность нуклеотидов в ДНК определяет строение белка можно создав искусственный ген (то есть искусственную ДНК) заставить клетку производить нужные нам белки. Впервые такую операцию проделал Корана (Har Bind Korana). Генетическая инженерия означает изменение генома организма посредством манипуляций над его ДНК. Некоторые исследователи предвидят даже такое время, когда станет возможным вводить в яйцеклетку человека или в зародыш на ранних стадиях его развития какие-нибудь недостающие гены и тем самым избавлять людей от страданий, вызываемых наследственными заболеваниями.

Предположим, что вам нужно ввести какой-то ген, то есть отрезок ДНК, в другую цепь ДНК. Сама возможность подобного манипулирования генами обусловлена комплементарностью цепей ДНК и существованием ферментов, создающих точные копии молекул ДНК, а также некоторых других ферментов, которые разрывают ДНК в строго определенных местах и соединяют их определенным образом.

Первый шаг состоит в том, чтобы выделить и очистить подходящий фрагмент ДНК, содержащий тот ген, который надлежит перенести. Очень трудно или вообще невозможно иметь дело с одиночными молекулами. В случае с ДНК задачу упрощают реплицирующие ферменты. С их помощью одну единственную молекулу ДНК можно размножить - клонировать. После чего ген вводят в небольшую кольцевую молекулу ДНК, называемую плазмидой (рис. 4.7). Эта плазмида проникая в бактериальную клетку разделяет судьбу бактериальной ДНК, то есть делится и передается по наследству. А так как белок, синтезируемый на основе человеческого гена, бактерии не нужен он собирается и выбрасывается наружу. Таким образом сейчас получают фермент инсулин, белок интерферон.

Список литературы

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. - М.: Мир, 1990. - Т. 1. - 368 с.

Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. - М.: Мир, 1982. - Т. 2. - 440 с.

Кемп П., Армс К. Введение в биологию. - М.: Мир, 1988. - 672 с.

Основы общей биологии. - М.: Мир, 1982. - 440 с.

Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. - М.: Мир, 1981. - 646 с.

Уотсон Д. Молекулярная биология гена. - М.: Мир, 1978. - 720 с.

Фолсом К. Происхождение жизни. - М.: Мир, 1982. - 160 с.

Лекция 5

Клеточная теория