Литература БФХ / molekuljarnaja biologija kletki v2

231

завершение синтеза белка происходит автоматически. Однако в отдельных случаях образующийся белок может изменяться в ходе процесса,

называемого сдвигом рамки трансляции (считывания).

Сдвиг рамки трансляции широко распространен у ретровирусов, что позволяет получать с одной мРНК различные количества двух или более белков. У этих вирусов обычно образуется большой полипротеин, который разрезается вирусной протеазой с образованием нескольких капсидных белков (gag-белки), обратной транскриптазы вируса и интегразы (роl-белки). Во многих случаях гены gag и роl находятся в разных рамках считывания, и, таким образом, сдвиг рамки необходим для образования рol-белков, присутствующих в гораздо меньших количествах. Сдвиг рамки происходит по определенному кодону в мРНК, и для его осуществления необходимо присутствие специфических последовательностей, которые могут находиться и перед этим сайтом, и за ним (рис. 10-58).

10-26

10-27

10.4.12. Экспрессия генов может контролироваться изменением стабильности мРНК [48]

Большая часть мРНК в клетках бактерий весьма нестабильна и имеет время полужизни около 3 минут. Так как мРНК у бактерий быстро синтезируется и также быстро разрушается, бактерия в ответ на изменения окружающей среды может соответствующим образом регулировать экспрессию своих генов.

Рнс. 10-59. Особые сигнальные последовательности, ответственные за нестабильность (быструю деградацию) некоторых мРНК. А. Три мРНК, время полужизни которых сильно различается. Непрерывный распад молекул мРНК, кодирующих различные факторы роста, обусловливает быстрое изменение их концентрации в ответ на внеклеточные сигналы. Гистоны необходимы, главным образом, для формирования хроматина, образующегося в ходе синтеза ДНК. Значительные изменения в стабильности их мРНК ограничивают время синтеза пистонов S-фазой клеточного цикла. Б. За необычно быстрый распад мРНК ответственны особые последовательности на З'-нетранслируемом конце молекулы. Представленные

результаты получены в экспериментах, когда указанные измененные последовательности РНК синтезировались в клетках с генов, модифицированных методами генной инженерии.

232

Рис. 10-60. В ответ на увеличение концентрации железа клетка повышает уровень синтеза ферритина (чтобы связать избыток железа) и снижает уровень синтеза рецепторов трансферрина (чтобы в клетку попадало меньше железа). Полагают, что оба типа ответов обусловлены одним и тем же регуляторным белком. Этот белок узнает общие свойства мРНК, кодирующих ферритин и рецептор трансферрина. А. Регуляторний белок отделяется от мРНК. Б. Элемент, контролирующий ответ на железо, расположенный в 5'-нетранслируемой области мРНК ферритина. Нуклеотиды,

выделенные цветом, идентичны в мРНК ферритина млекопитающих, птиц и земноводных. Если поместить эту последовательность в 5'- нетранслируемую область других мРНК, то их трансляция также будет контролироваться уровнем содержания железа в среде. В. Две из пяти одинаковых последовательностей, от которых зависит ответ на изменение концентрации железа в среде, расположенные в З'-нетранслируемой области мРНК, кодирующей рецептор трансферрина. Железо-зависимый контроль стабильности мРНК требует присутствия многих сайтов связывания регуляторных белков. Считается, что нуклеотиды, выделенные цветом, а также спиральный стебель шпильки, последовательность которого не так важна, играют решающую роль в узнавании белка. Поскольку контроль синтеза рецептора трансферрина и ферритина осуществляется разными механизмами, их уровни отвечают на изменения концентрации железа противоположным образом, несмотря на то, что в регуляции принимает участие один и тот же белок. (По М. W. Hentze et al., Science 238: 1570-1573, 1987; J. L. Casey et al., Science 240: 924-928, 1988.)

В эукариотических клетках мРНК более стабильна. Наприме мРНК, кодирующая 3-глобин, имеет время полужизни более 10 ч, есть и такие мРНК, время полужизни которых составляет всего 30 минут! или еще меньше. Нестабильные мРНК часто кодируют белки-регуляторы, концентрация которых в клетке быстро меняется (например, факторы роста и продукты протоонкогенов fоs и туc). Нетранслируемая З'-область многих таких нестабильных мРНК содержит длинные последовательности, обогащенные А и U, которые, по-видимому, и ответственны за их нестабильность (рис. 10-59).

Стабильность мРНК может меняться в ответ на внеклеточные сигналы. Так, например, стероидные гормоны действуют на клетку, не только усиливая транскрипцию отдельных генов (см. разд. 12.2.1), но и повышая стабильность некоторых мРНК, считываемых с этих генов. И наоборот, добавление к клеткам железа уменьшает стабильность мРНК, кодирующей трансферриновый рецептор, что приводит к образованию меньшего количества белка, связывающего железо. Интересно, что в дестабилизации мРНК трансферринового рецептора, по-видимому, участвует тот же чувствительный к железу белок, связывающийся с РНК, который контролирует трансляцию мРНК ферритина. В данном примере с трансферриновым рецептором белок соединяется с противоположным концом мРНК (нетранслируемый З'-конец), что обусловливает усиление, а не ослабление синтеза белка (рис. 10-60).

10.4.13. Для избирательной деградации мРНК необходим постоянный синтез белка [49]

Контроль стабильности мРНК в клетках эукариот лучше всего изучен для мРНК, кодирующих гистоны. Время полужизни этих мРНК во время S-фазы клеточного цикла (когда требуются новые гистоны) составляет около 1 ч, но при остановке синтеза ДНК сокращается до нескольких минут. Если в ходе S-фазы синтез ДНК подавить антибиотиками, гистоновая мРНК становится нестабильной; возможно, накопление свободных гистонов в отсутствие новой ДНК, с которой они могли бы связаться, специфически повышает скорость распада гистоновой мРНК.

Регуляция стабильности гистоновой мРНК зависит от короткой структуры, состоящей из петли и двухцепочечного участка на З'-конце; она заменяет роїуА-последовательность, присутствующую на З'-конце

233

других мРНК. Такой З'-конец образуется после того, как гистоновая мРНК синтезируется РНК-полимеразой II, в ходе специальной реакции расщепления, для которой необходимо спаривание с основаниями небольшой РНК, входящей в состав рибонуклеопротеиновой частицы (U7-мя РНК). Если методами генной инженерии соединить этот З'-конец с другими мРНК, они также становятся нестабильными при остановке синтеза ДНК (см. рис. 10-59). Таким образом, как и в случае мРНК других типов, скорость распада жестко контролируется сигналами, расположенными вблизи З'-конца, с которого, как полагают, и начинается деградация мРНК.

Если в середину кодирующей последовательности гистоновой мРНК поместить стоп-кодон, такая мРНК теряет способность быстро деградировать. Исходя из этого, было высказано предположение, что нуклеаза, ответственная за деградацию мРНК, соединена с рибосомой, и перед тем, как она начинает реакцию, большая часть гистоновой мРНК должна транслироваться. Это предположение могло бы объяснить, почему значительная часть нестабильных мРНК селективно стабилизируется при обработке клеток ингибитором белкового синтеза циклогексимидом. Тем не менее остается неясным, почему система деградации мРНК должна быть связана таким образом с рибосомой.

10.4.14. Некоторые мРНК расположены в определенных областях цитоплазмы [50]

Метод гибридизации in situ позволяет локализовать в клетке специфические молекулы мРНК (см. разд. 4.6.11). В гл. 16 будет идти речь о том, что некоторые мРНК, участвующие в формировании частей тела на ранних стадиях развития, сконцентрированы в определенных участках цитоплазмы ооцита (см. рис. 16-22, 16-60). Хотя остается неизвестным, с чем они при этом связаны, в ряде случаев подобное распределение по областям зависит от длинного нетранслируемого З'-конца мРНК.

Легче всего определить локализацию молекул мРНК в больших по размеру ооцитах, однако примеры специфической локализации мРНК известны и для соматических клеток. Вероятно, в будущем с помощью методов генной инженерии станет возможным менять расположение конкретных молекул мРНК в цитоплазме с тем, чтобы выявить эффект такого перемещения на функцию этих мРНК.

10-28

10.4.15. Редактирование мРНК изменяет смысл информационной РНК [51]

Открытие все новых молекулярных механизмов, используемых клеткой, заставляет биологов постоянно удивляться. Например, совсем недавно было обнаружено, что все мРНК у трипаносомы содержат общую кэпированную последовательность на 5'-конце, которая транскрибируется отдельно и затем добавляется к 5'-концам транскриптов гяРНК при сплайсинге двух ранее не связанных между собой молекул. Подобный транссплайсинг имеет место у нематод, когда к ряду мРНК добавляется лидерная 5'-последовательность. Обнаружен он и у растений при комбинировании отдельных транскриптов РНК, из которых образуется кодирующая последовательность некоторых белков в хлоропластах. Разрезание и воссоединение транскриптов может оказаться кратчайшим путем к появлению новых белков, а те немногие известные сегодня случаи такого соединения экзонов могут быть остатками процессов, некогда имевших гораздо более широкое распространение.

234

Другой любопытный феномен, в значительной мере изменяющий транскрипты РНК, был обнаружен в митохондриях трипаносом. Он заключается в редактировании РНК: в определенные области транскрипта добавляется или удаляется один (или более) нуклеотид U, что приводит к изменению исходной рамки считывания и меняет смысл информации. Однако неизвестно, как контролируется редактирование, в результате которого образуется последовательность, кодирующая необходимый белок.

Редактирование РНК, хотя и в более ограниченных пределах, вcтpeчается у млекопитающих, где с помощью этого механизма ген аполипопротеина В образует два типа транскриптов: в одном из транскритов цитозин, кодируемый ДНК, заменяется на урацил, в результате чего появляется стоп-кодон и синтезируется короткий тканеспецифичный вариант этого большого белка. Хотя до сих пор приведенный пример редактирования РНК остается единственным, представляется маловероятным, что этот феномен у млекопитающих ограничивается только одним геном.

10.4.16. Реакции, катализируемые РНК, вероятно, | имеют весьма древнее происхождение [52]

Все обсуждаемые в данном разделе механизмы контроля на посттранскрипционном уровне зависят от специфического узнавания определенной молекулы РНК; именно таким путем отбираются молекулы для специальных превращений, например, сплайсинга или деградация. Узнавание возможно благодаря существованию большого числа сайт-специфических РНК-связывающих молекул, большая часть которых еще не охарактеризована. Сайты РНК, с которыми ассоциируют эти молекулы, обычно содержат группу открытых нуклеотидов в одноцепочечном участке (см. рис. 10-60). Следовательно, подобное сайт-специфическое связывание отличается от связывания с ДНК, где нуклеотидная последовательность обычно распознается по спаренным основаниям в двойной спирали. Более того, все известные молекулы, связывающиеся с определенными последовательностями ДНК, представляют собой белки; между тем к объединению со специфическими последовательностями РНК способны и белки, и молекулы РНК, принцип узнаваний у которых частично основан на комплементарном спаривании оснований РНК-РНК. Таким образом, пытаясь разобраться в посттранскрипционных процессах, мы вступили в мир РНК. Реакции, катализируемые молекулами РНК, гораздо труднее поддаются изучению, чем реакции, катализируемые белками. Большие молекулы РНК при выделении, из-за присутствия следовых количеств рибонуклеаз, легко распадаются, и их трудно очистить до гомогенного состояния, сохранив при этом, активность. Однако в настоящее врем» методы генной инженерии с использованием очищенных РНК-полимераз позволяют получать in vitro большое количество чистых РНК с любой последовательностью (рис. 9-81). Благодаря этому появиласьвозможность подробно изучить химию катализируемых РНК реакций самосплайсинга (см. разд. 3.2.11) и определить минимальные размеры последовательностей, необходимых для саморасщепления РНК вироида растений (рис. 10-61). Другой реакцией, в которой РНК играет роль катализатора как у прокариот, так и у эукариот, является расщепление предшественников тРНК комплексом белок—РНК, известным под названием РНКаза Р. РНК, входящая в состав мяРНП-частиц сплайсосом, вероятно, может также формировать и разрушать ковалентные связи (хотя это еще и не доказано). Полагают, что активный центр ферментативного комплекса пелтидилтрансферазы, участвующего в полимериза-

Рис. 10-61. Структура активного центра РНК вироида растений. Эта короткая молекула РНК сама расщепляет себя в участке, указанном стрелкой. Нуклеотиды, выделенные цветом, идентичны у семи саморасщепляющихся РНК, шесть из которых обнаружены в растениях и одна у животных. Реакции саморасщепления превращают тандемно повторенные последовательности одноцепочечной РНК (промежуточный продукт вироид-подобной РНК) в однокопийную линейную молекулу РНК, которая затем замыкается в кольцо. (По А. С. Forster et al., Nature 334: 265-267,

1988.)

235

Рис. 10-62. Регуляторное взаимодействие двух молекул РНК способствует поддержанию постоянного числа копий в семействе бактериальных ДНК-содержащих плазмид ColEl. РНК (длиной около 100 нуклеотидов) представляет собой регуляторную молекулу, которая подавляет активность РНК 2 (длиной около 500 нуклеотидов), участвующей в инициации репликации плазмидной ДНК. РНК 1 комплементарна

последовательности на 5'-конце РНК 2 и ее концентрация возрастает пропорционально числу молекул плазмидной ДНК в клетке. У РНК 2 последовательность 2 комплементарна как последовательности 1, так и последовательности 3 (ср. рис. 10-50) и способна замещаться при связывании РНК 1; в результате меняется конформация последовательности 4, инактивирующая РНК 2. (По Н. Masukata and J.Tomizawa, Cell 44: 125-136, 1986.)

ции аминокислот рибосомой, расположен на рРНК (см. разд. 5.1.8).

Молекулы РНК обладают также и регуляторной функцией. Антисмысловая РНК в клетках, измененных экспериментальным путем, делает эти клетки не способными экспрессировать определенный ген (механизм, аналогичный тому, который в норме регулирует экспрессию некоторых генов бактерий). Этот механизм на самом деле может иметь гораздо более широкое распространение. Особенно хорошо изученным примером такого рода служит контроль с обратной связью за началом репликации ДНК большого семейства бактериальных плазмид. Контролирующая система ограничивает копийность плазмид, и таким образом не дает плазмидам убить хозяйскую клетку (рис. 10-62).

Изучение реакций, катализируемых РНК, представляет особый интерес для понимания хода эволюции. Как уже обсуждалось в гл. 1, первые клетки, по-видимому, не содержали ДНК, и в них было очень мало, а может быть и вообще не было белков. Многие из реакций, катализируемых РНК в современных клетках, могут представлять собой молекулярные ископаемые, т.е. происходить от той сложной сети реакций, направляемых РНК, которые предположительно преобладали в метаболизме клетки 3,5 млрд лет назад. Разобравшись в них, биологи, возможно, смогут проследить пути возникновения первой живой клетки.

Заключение

При осуществлении контроля экспрессии генов клетки воздействуют на многие стадии перехода РНК→белок. Полагают, что большинство генов регулируется на нескольких уровнях, хотя преобладающим считают контроль на уровне инициации транскрипции. Тем не менее, некоторые гены транскрибируются с постоянной скоростью, а их включение и выключение происходит только за счет воздействия на РНК. К таким посттранскрипционным регуляторним процессам относят: 1) аттенуа-цию транскрипции путем преждевременной терминации, 2) альтернативный выбор сайта сплайсинга, 3) контроль за образованием З'-конца путем расщепления и добавления polyA, 4) контроль инициации трансляции и 5) регулируемую деградацию мРНК. Для большинства из этих контролирующих процессов необходимо узнавание последовательностей или структур в молекуле РНК. Такое узнавание может осуществляться либо белком-регулятором, либо регуляторной молекулой РНК.

236

10.5. Организация и эволюция ядерного генома [53]

В геномах ныне живущих организмов записана значительная часть их эволюционной истории. Некоторые ее страницы могут быть расшифрованы при изучении последовательности ДНК этих организмов. Методы секвенирования ДНК, широко распространенные в настоящее время, дают возможность анализировать большое количество молекул ДНК и судить о том, как за десятки миллионов лет возникли гены, кодирующие определенные белки. Изучение случайных изменений, происходящих в хромосомах сейчас, проливает дополнительный свет на механизмы, ответственные за эволюционные изменения в прошлом. В данном разделе представлены некоторые молекулярно-генетические подходы, направленные на изучение организации и эволюции ядерного генома высших эукариот.

10-32

10-34

10.5.1. Точковые мутации обусловливают небольшие изменения генома, а его перестройка или увеличение осуществляются в ходе генетической рекомбинации [54]

Последовательность нуклеотидов в ДНК должна точно реплицироваться и сохраняться. В гл. 5 обсуждались сложные механизмы, позволяющие ДНК наследоваться с необычайной точностью: за каждые 200000 лет случайно меняется лишь одна нуклеотидная пара из тысячи (см. разд. 5.2). И даже при такой скорости мутирования в популяции, состоящей из 10000 особей, каждая возможная нуклеотидная замена будет «испробована» около пятидесяти раз за миллион лет. Если какой-либо вариант последовательности обладает преимуществом, он быстро размножится благодаря естественному отбору. Следовательно, можно ожидать, что у любого вида функция большинства генов будет оптимизирована в отношении вариаций, возникающих вследствие точковых мутаций.

Точковые мутации служат для тонкой «подстройки» генома, но долговременный эволюционный процесс должен быть связан с более радикальными генетическими изменениями. Эту функцию выполняет генетическая рекомбинация; с ее помощью геном может увеличиваться или уменьшаться (при дупликации или делеции), а его части могут перемещаться из одной области в другую, образуя новые комбинации. Составляющие части генов (их экзоны и регуляторные элементы) могут перемешиваться, давая начало новым белкам, обладающим совершенно новыми функциями. Кроме того, если какой-либо ген представлен в геноме двумя копиями, одна из них может подвергнуться мутации, что приведет к дивергенции копий и их специализации для едва различающихся функций. Таким путем геном как целое постепенно усложняется и совершенствуется. Например, у млекопитающих почти каждый ген существует в нескольких вариантах: разные гены актина - для различных типов сократительных клеток, разные гены родопсина - для восприятия различных цветов, разные гены коллагена - для различных типов соединительных тканей и так далее. Экспрессия каждого гена регулируется строго и специфически. Изучение последовательностей ДНК показывает, что многие гены, даже значительно отличающиеся друг от друга, могут иметь родственные модульные области. Так например, определенная часть генов родопсина имеет общего предшественника с рядом генов, кодирующих некоторые гормоны и рецепторы (см. разд. 12.3.13); эта общая последовательность, вероятно, присутствует и в других белках (см. разд. 3.3.8).

237

Рис. 10-63. Семейство тандемно повторенных генов теряет и восстанавливает свои копии вследствие кроссинговера между сестринскими хромосомами, несущими эти гены. Это происходит довольно часто, так как длинные участки гомологичных последовательностей ДНК являются

хорошим субстратом для общей генетической рекомбинации.

Основой для возникновения подобных семейств генов и генных сегментов служит генетическая рекомбинация. Выше обсуждались молекулярные механизмы общей и сайт-специфической рекомбинации. В данном разделе будут рассмотрены некоторые результаты воздействия

рекомбинации на геном.

10-33

10-34

10-35

10,5.2. Тандемно повторяющиеся последовательности ДНК стремятся остаться неизмененными [55]

Дупликации генов обычно объясняют редкими событиями, которые катализируются некоторыми рекомбинационными ферментами. Однако у высших эукариот имеется эффективная ферментативная система, которая соединяет концы разорванной молекулы ДНК. Таким образом, дупликации (а также инверсии, делеции и транслокации сегментов ДНК) могут возникать у этих организмов вследствие ошибочного воссоединения фрагментов хромосомы, которая по каким-то причинам оказалась разорванной. Если дуплицированные последовательности соединяются «голова к хвосту», то говорят о тандемных повторах. Появление одного тандемного повтора легко может привести к возникновению их длинной серии в результате неравного кроссинговера между двумя сестринскими хромосомами, поскольку длинные участки спаривающихся последовательностей представляют собой идеальный субстрат для обычной рекомбинации (рис. 10-63). Дупликация ДНК и следующий за ней неравный кроссинговер лежат в основе амплификации ДНК, процесса, который, как выяснилось, способствует возникновению раковых клеток (см. рис. 21-26). В ходе неравного кроссинговера число тандемно повторяющихся генов может как увеличиваться, так и уменьшаться (см. рис, 10-63). Большое количество повторяющихся генов будет поддерживаться естественным отбором лишь в том случае, если существование дополнительных копий окажется выгодным для организма. Как отмечалось выше, у позвоночных тандемный повтор кодирует большой предшественник рибосомной РНК, что необходимо для обеспечения потребности растущих клеток в новых рибосомах (см. разд. 9.4.16). Кластеры тандемно повторяющихся генов кодируют у позвоночных и другие структурные РНК, включая 5S-pPHK, U1- и U2-мяРНК. Тандемные повторы характерны и для гистоновых генов, на которых синтезируется большое количество белка, требующегося в каждой S-фазе.

Рис. 10-64. Два типа событий, позволяющих сохранить последовательности ДНК в тандемном расположении и очень похожими друг на друга. А. Постоянное увеличение и уменьшение числа копий гена в тандеме при неравном кроссинговере (см. рис. 10-63) приводит к гомогенизации всех последовательностей генов, входящих в состав кластера. Б. При конверсии генов одна копия действует как матрица, которая передает либо все. либо часть последовательностей своей ДНК другой копии гена. У высших эукариот эти процессы, по-видимому, присущи генам, расположенным рядом друг с другом на хромосоме. У низших эукариот, например у грибов, конверсия генов у которых изучена гораздо лучше, этот процесс, как

оказалось, не лимитирован лишь соседними генами.

238

Можно ожидать, что в ходе эволюции последовательности тандемно расположенных генов, а также нетранскрибируемой ДНК спенсеров, расположенных между ними, дивергируют за счет случайных мутаций. изменяющих одну или несколько копий гена. Однако на самом деле последовательности тандемно повторенных генов и их спейсерная ДНК обычно почти идентичны. Полагают, что к этому причастны два механизма: во-первых, неравный кроссинговер, приводящий к последовательному расширению и сокращению областей, содержащих тандемно повторяющиеся последовательности (анализ компьютерной модели такого кроссинговера показывает, что при этом последовательности имеют тенденцию оставаться прежними, рис. 10-64, А); во-вторых, конверсия генов (показано, что она может обусловливать гомогенизацию родственных последовательностей ДНК, рис. 10-64, Б).

10.5.3. На примере семейства глобиновых генов можно проследить, как случайные дупликации ДНК способствуют эволюции организмов [56]

Дупликации ДНК имеют очень большое значение для эволюции новых белков. Чтобы убедиться в этом, обратимся к семейству глобиновых генов, поскольку его история изучена особенно хорошо. Явные гомологии в аминокислотной последовательности и в структуре современных глобиновых генов указывают на их происхождение от общего предка, несмотря на то, что некоторые члены этого семейства теперь расположены в геноме млекопитающих в совершенно разных местах.

Анализируя формы гемоглобина в организмах, стоящих на разных ступенях филогенетической лестницы, можно восстановить некоторые события, приведшие к возникновению разнообразных типов этого белка. Появление гемоглобиноподобных молекул в ходе эволюции, повидимому, способствовало увеличению размеров многоклеточных животных. Крупным животным для поддержания должного уровня кислорода в тканях уже недостаточно простой диффузии. В результате, гемоглобиновые молекулы обнаруживаются у всех позвоночных и многих беспозвоночных. Самая примитивная молекула, переносящая кислород, представляет собой глобиновую полипептидную цепь размером около 150 аминокислот. Она обнаруживается у многих морских червей, насекомых и примитивных рыб. Молекула гемоглобина у высших позвоночных устроена более сложно: в ее состав входит два типа глобиновых цепей. По-видимому, около 500 млн лет назад в ходе эволюции высших рыб произошла серия мутаций и дупликации соответствующего гена. В результате этих событий вначале образовалось два слегка отличающихся друг от друга гена, кодирующих цепи α- и β-глобинов в геноме каждой особи. У современных высших позвоночных каждая молекула гемоглобина представляет собой комплекс, состоящий из двух α- и двух β-цепей. (рис. 10-65). Такая структура функционирует гораздо более эффективно, чем молекула гемоглобина, содержащая одну цепь. Четыре кислород-связывающих сайта в молекуле α2β2 взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие приводит к кооперативному аллостерическому изменению в молекуле при связывании и освобождении кислорода, позволяющему доставлять в ткани гораздо большие порции кислорода.

В ходе дальнейшей эволюции млекопитающих мутации и дупликации, по-видимому, подвергся ген β-цепи, вследствие чего возник второй тип гемоглобина, синтезируемый только в эмбрионе. Образовавшаяся молекула гемоглобина обладает повышенным сродством к кислороду по сравнению с гемоглобином взрослой особи, и, таким образом, способствует переносу кислорода от матери к плоду. Ген, кодирующий

Рис. 10-65. Пространственная структура одноцепочечного и четырехцепочечного глобинов. Изображенный здесь четырехцепочечный гемоглобин представляет собой комплекс, состоящий из двух α- и двух β-глобиновых цепей. Глобин, состоящий из одной цепи, у некоторых примитивных позвоночных образует димер, который диссоциирует при связывании кислорода и представляет собой промежуточную ступень в

эволюции глобина, содержащего четыре цепи.

239

Рис. 10-66. Схема эволюции цепей глобина на примере семейства β-подобиых глобиновых генов (см. рис. 10-39). Относительно недавно возникшие дупликации гена γ -цепи, привели к образованию γG- и γА-цепей, которые являются (3-подобными и обладают идентичными функциями.

Рис. 10-67. Структура молекулы антитела (иммуноглобулинов). Эта молекула состоит из двух идентичных тяжелых цепей и двух идентичных легких цепей (выделены цветом). Каждая тяжелая цепь содержит четыре сходных ковалентно связанных домена. Каждая легкая цепь имеет в своем составе два таких домена. Каждый домен кодируется отдельным экзоном; вероятно, все экзоны возникли в результате дупликации

одного исходного экзона.

новую, похожую на β-цепь, молекулу гемоглобина, вновь подвергся последовательным мутациям и дупликациям, в ходе которых возникли два новых гена ε и γ. Цепь є синтезируется на более ранних стадиях развития (с образованием α2ε2), чем γ-цепь эмбриона, образующая форму α2γ2 (см. рис. 10-39, Б). Дупликация гена β-цепи взрослых, происшедшая еще позже в ходе эволюции приматов, привела к образованию гена δ-глобина и соответственно минорной формы глобина (α2δ2), обнаруживаемой только у взрослых приматов (рис. 10-66). Каждый из этих дуплицировавшихся генов впоследствии был модифицирован за счет точковых мутаций, воздействующих на свойства конечной молекулы гемоглобина, а также в результате изменений в регуляторных областях, определяющих выбор времени и уровень экспрессии данного гена (см. рис. 10-73).

Конечный результат процесса дупликации генов, приведшего к дивергенции глобиновых цепей, хорошо виден при рассмотрении генов, возникших из исходного β-гена и расположенных в виде серии гомологичных последовательностей ДНК внутри сегмента ДНК размером 50000 нуклеотидных пар (см. рис. 10-39, А). У человека кластер α-глобиновых генов находится на другой хромосоме. На основании того, что у птиц и млекопитающих кластеры α- и β-глобиновых генов обнаруживаются в разных хромосомах, а у лягушки Xenopus они лежат рядом, считается, что два гена разъединились в результате транслокации примерно 300 млн лет назад (рис. 10-66). Подобные транслокации, вероятно, способствуют стабилизации дуплицированных генов, обладающих различными функциями, поскольку предохраняют их от гомогенизации, которой часто подвергаются близлежащие гены со сходной последовательностью (см. рис. 10-64).

Существует несколько дуплицированных последовательностей глобиновой ДНК, входящей в состав кластеров α- и β-глобиновых генов, которые не являются активными. Это пример псевдогенов, которые имеют высокую степень гомологии с активными генами, но неактивны вследствие мутаций, препятствующих их экспрессии. Существование подобных псевдогенов не должно вызывать удивления, ведь не все дупликации ДНК могут приводить к возникновению новых активных генов, между тем неактивные последовательности не удаляются из генома немедленно.

Сравнивая последовательности ДНК многих семейств генов у животных, стоящих на разных ступенях филогенеза, можно проследить значительную часть истории нашей эволюции (см. рис. 4-62).

10.5.4. Гены, кодирующие новые белки, могут образовываться при рекомбинации экзонов [54]

Роль дупликации ДНК в эволюции не ограничивается их участием в образовании больших генных семейств. Дупликации могут иметь значение и для возникновения новых одиночных генов. Белки, кодируемые такими генами, можно узнать по присутствию в них повторяющихся сходных белковых доменов, которые последовательно ковалентно связаны друг с другом. Например, иммуноглобулины (рис. 10-67), альбумины, а также большинство фибриллярных белков (таких, как спектрины и коллагены) кодируются генами, возникшими в результате многократных дупликации исходной последовательности ДНК.

У генов, возникших таким путем, каждый экзон часто кодирует отдельную субъединицу или домен в белке (см. разд. 3.3.4). Организация кодирующих последовательностей ДНК в виде серии таких экзонов, разделенных длинными нитронами, в значительной мере упростила эволюцию новых белков. Например, дупликации, необходимые для

240

образования отдельного гена, кодирующего белок с повторяющимися доменами, могут возникать при разрыве и воссоединении ДНК в любом месте длинных нитронов, окружающих экзон. Без нитронов в исходном гене было бы лишь несколько сайтов, рекомбинация по которым могла бы привести к дупликации домена. Увеличивая число возможных сайтов для дупликации, интроны значительно повышают вероятность того, что дупликация окажется полезной.

Наличие нитронов намного увеличивает вероятность того, что случайная рекомбинация соединит две первоначально разделенные последовательности ДНК, которые кодируют различные домены белка (см, рис. 10-71). Результаты таких событий можно наблюдать во многих современных белках (см. рис. 3-38). Итак, большие расстояния между экзонами, кодирующими отдельные домены у высших эукариот, ускоряют процесс возникновения новых белков и, следовательно, увеличивают эффективность эволюции весьма сложных организмов.

10.5.5. Вероятно, большинство белков кодируются генами, состоящими из многих небольших экзонов [57]

Открытие в 1977 г. прерывистости генов эукариот оказалось совершенно неожиданным. Все исследованные до этого гены были бактериального происхождения и не содержали нитронов. У бактерий, как известно, отсутствуют ядро и внутренние мембраны, их геном меньше, чем геном эукариот, и традиционно считалось, что бактерия напоминает ту древнюю простую клетку, из которой произошла клетка эукариотическая. Неудивительно поэтому, что многие биологи вначале воспринимали интроны как причудливую позднейшую эволюционную добавку. Однако в настоящее время все больше утверждается точка зрения, согласно которой прерывистые гены имеют весьма древнее происхождение, а бактерии потеряли свои интроны лишь после того, как возникла большая часть их белков.

Мысль о том, что интроны появились в ходе эволюции очень давно соответствует современному представлению о происхождении белков методом проб и ошибок при рекомбинации отдельных экзонов, кодирующих различающиеся белковые домены. Более того, доказательства древнего происхождения нитронов были получены при изучении генов, кодирующих распространенный фермент триозофосфатизомеразу. Триозофосфатизомераза играет важную роль в метаболизме всех клеток, катализируя центральное событие при гликолизе и глюконеогенезевзаимопревращение глицералальдегида-3-фосфата и дигидроксиацетон-фосфата (см. рис. 2-38). Сравнивая аминокислотную последовательность этого фермента у различных организмов, можно сделать вывод, что фермент возник еще до дивергенции прокариот и эукариот от общего предка, поскольку 46% аминокислотной последовательности у человека и бактерии идентичны. У позвоночных (курицы и человека) ген, кодирующий этот фермент, содержит шесть нитронов, причем пять из них присутствуют точно в том же месте у кукурузы. Из этого следует, что эти пять нитронов существовали в гене до того, как растения и животные дивергировали в ходе эволюции эукариот, что, как установлено, произошло 109 лет назад

(рис. 10-68).

Мелкие одноклеточные организмы находятся под сильным давлением отбора, что заставило их воспроизводиться путем деления клеток с максимальной скоростью, какую только позволяет содержание питательных веществ в окружающей среде. В связи с этим, они вынуждены свести к минимуму содержание ненужной ДНК, которую надо синтезировать в каждом цикле клеточного деления. Для организмов большего размера, живущих благодаря хищничеству, и в целом для многокле-