Мед. Генетика Горбунова. Учебник для студентов медицинских вузов и слушателей последипломного образования
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Глава 1.16. Молекулярно-генетические основы эволюции Произошедшая на рубеже тысячелетий революция в области молекулярной биологии, завершившаяся расшифровкой структуры геномов многих сотен видов микроорганизмов, а также некоторых видов простейших, дрожжей, растений, животных и человека, перевернула многие традиционные представления классической генетики и вплотную приблизила возможность исследования молекулярных механизмов эволюции и видообразования. Родилась новая наука - сравнительная геномика, позволяющая регистрировать появление в различных филогенетических линиях эволюционно значимых событий, происходящих на уровне отдельных молекул. Оказалось, что в общем случае эволюционный прогресс ассоциируется не только, и не столько с увеличением числа, протяженности и даже сложности структурной организации генов, но в гораздо большей степени с изменением регуляции их работы, определяющей координацию и тканеспецифичность экспрессии десятков тысяч генов. Это, в конечном счете, и привело к появлению у высших организмов более сложных, высоко специфичных, многофункциональных комплексов взаимодействующих белков, способных выполнять принципиально новые задачи. Рассмотрим характер изменений, происходящих в процессе эволюции на трех информационных уровнях: ДНК – РНК – белок или геном – транскриптом – протеом. В общем случае можно сказать, что по мере нарастания сложности организации жизни, происходит увеличение размера генома. Так, размер ДНК прокариот не превышает 8х10 6 п. о., он становится вдвое больше у дрожжей и простейших, в 10-15 раз больше у насекомых, а у млекопитающих увеличение достигает 3 порядков, то есть в тысячу раз (10 3 ). Однако эта зависимость не носит линейный характер. Так в пределах млекопитающих мы уже не наблюдаем существенного увеличения размера генома. Кроме того, не всегда удается наблюдать зависимость между величиной генома и сложностью организации жизни. Так, у некоторых растений величина генома на порядок или даже на два порядка больше, чем у человека. Напомним, что увеличение размера генома эукариот по сравнению с прокариотами происходит, главным образом, за счет появления некодирующих последовательностей, то есть факультативных элементов. Мы уже говорили о том, что в геноме человека экзоны суммарно составляют не более 1-3%. А это значит, что количество генов у высших может быть лишь в несколько раз больше, чем у микроорганизмов. Увеличение сложности организации эукариот частично объясняется возникновением дополнительной системы регуляции, необходимой для обеспечения тканеспецифичности экспрессии генов. Одним из последствий возникшей у эукариот прерывистой организации генов явилось широкое распространение альтернативного сплайсинга и альтернативной транскрипции. Это привело к появлению нового свойства у огромного числа генов - способности кодировать множественные функционально различающиеся изоформы белков. Таким образом, общее количество белков, то есть размер протеома, у высших может быть в несколько раз больше количества генов. У прокариот допустима внутривидовая изменчивость по числу генов, и подобные различия между разными штаммами многих микроорганизмов, в том числе и патогенных, могут составлять десятки процентов. При этом сложность организации различных видов микроорганизмов прямо коррелирует с числом и протяженностью кодирующих последовательностей. Таким образом, фенотипическая внутри- и межвидовая изменчивость находится в строгой ассоциации с очень близкими по своим значениям размерами транскриптома и протеома. У эукариот число генов является жестко детерминированным видовым признаком, и в основе увеличения эволюционной сложности лежит иной принцип – дифференциальное многоуровневое использование различных компонентов ограниченного и достаточно стабильного протеома. Секвенирование геномов нематоды и дрозофилы показало, что размеры протеомов у этих столь разных видов очень близки и лишь вдвое больше, чем у дрожжей и некоторых видов бактерий. Эта закономерность – значительное нарастание сложности организации различных форм жизни при сохранении или относительно небольшом увеличении размеров протеома – характерна для всей последующей эволюции вплоть до человека. Так, протеомы человека и мыши практически не различаются между собой и по своим размерам менее чем в 2 раза превосходят протеомы круглого микроскопического червя нематоды или плодовой мушки дрозофилы. Более того, идентичность нуклеотидных последовательностей ДНК человека и больших африканских обезьян составляет 98,5%, а в кодирующих областях достигает 99%. Эти цифры мало отличаются от значения 99,9%, определяющего внутривидовое сходство по нуклеотидным последовательностям ДНК между различными индивидуумами, народами и расами, населяющими нашу планету. Так какие же изменения, составляющие не более 1,5% от всего генома, являются ключевыми для формирования человека? Ответ на этот вопрос, по-видимому, следует искать не только на геномном и протеомном уровнях. Действительно, наряду с относительной стабильностью протеома, в процессе эволюции происходит резкое увеличение размеров и сложности организации транскриптома эукариот за счет появления в геноме огромного количества транскрибируемых и не кодирующих ДНК, а также значительного расширения класса РНК-кодирующих генов. РНК, не кодирующие белки, главным источником которых служат интроны, составляют подавляющую часть транскриптома высших организмов, достигая 97-98% всех транскрипционных единиц. В настоящее время интенсивно анализируются функции этих молекул. Таким образом, ключевые эволюционные изменения происходят на фоне увеличения размера генома, достаточно стабильного протеома и резкого увеличения размера транскриптома – рис. 31. Рисунок 31. Эволюционные изменения, происходящие на трех информационных уровнях При этом переход от простых форм жизни к более сложным очевидно коррелирует с возникновением и широким распространением в геноме двух фундаментальных и в некоторой степени взаимосвязанных эволюционных приобретений: некодирующих ДНК и повторяющихся элементов. Прямым следствием этих изменений, происходящих на геномном уровне, является появление в процессе эволюции огромного количества не кодирующих белки РНК. Какова же структурная основа этих эволюционных преобразований? Все крупные эволюционные переходы: от прокариот к эукариотам, от простейших к многоклеточным, от первых животных к билатеральным и от примитивных хордовых к позвоночным, сопровождались резким увеличением сложности генома. По-видимому, такие скачки в эволюции являются результатом редких случаев удачного слияния целых геномов различных видов, принадлежащих дивергировавшим на значительное расстояние друг от друга систематическим классам. Так, симбиоз Archaea и Bacteria положил начало переходу от прокариот к эукариотам. Очевидно, что митохондрии, хлоропласты и некоторые другие органеллы клеток также появились в результате эндосимбиоза. Фундаментальное свойство высших эукариот – диплоидия – возникла вследствие хорошо отрегулированной геномной дупликации, которая совершалась около 500 миллионов лет назад. Геномные дупликации в пределах вида происходили достаточно часто, и примерами тому служат многочисленные случаи полиплоидии у растений, грибов и даже иногда у животных. Однако потенциальными механизмами, ведущими к возникновению в процессе эволюции принципиально новых форм жизни, являются не аутополиплоидии, а гибридизация и горизонтальный перенос или слияние геномов. Примечательно, что наиболее значительные эволюционные преобразования, сопровождающиеся слиянием целых геномов, происходят в экстраординарных условиях, в периоды крупных геологических переходов, таких как изменение концентрации кислорода в атмосфере, оледенение Земли или Кембрийский взрыв. В относительно спокойных геологических условиях более значимыми для эволюции оказываются дупликации отдельных генов или хромосомных сегментов с их последующей дивергенцией. Сравнение нуклеотидных последовательностей секвенированных геномов показывает, что частота дупликаций генов достаточно высока и, в среднем, составляет 0.01 на ген за миллион лет. Подавляющее большинство из них не проявляют себя на протяжении последующих нескольких миллионов лет, и лишь в редких случаях дуплицированные гены могут приобрести новые адаптивные функции. Тем не менее, многочисленный класс «молчащих» дупликаций генов служит своеобразным резервным фондом для рождения новых генов и образования новых видов. В геноме человека присутствует от 10 до 20 тысяч копий процессированных генов, возникших путем ретропозиции мРНК. Большинство из них относятся к классу псевдогенов, то есть они не экспрессируются либо из-за присутствия мутаций, либо из-за инсерции в транскрипционно неактивные районы генома. Однако часть таких генов активна, причем характер их экспрессии и даже функции могут быть иными, чем у генов-основателей. Особую роль в эволюции приматов и человека играют сегментные дупликации , относящиеся к классу низкокопийных повторов (LCR) и возникшие менее 35 миллионов лет назад. Эти последовательности представляют собой высоко идентичные блоки ДНК, варьирующие по величине от одной до нескольких сотен килобаз. Чаще всего сегментные дупликации локализуются в перицентромерных или теломерных районах различных хромосом, и суммарно они занимают около 5% генома человека. В других секвенированных геномах сегментные дупликации не обнаружены. Минимальный модуль сегментной дупликации, получивший название дупликон, содержит фрагменты неродственных непроцессированных генов, и это отличает его других известных типов повторяющихся последовательностей. При определенных условиях дупликоны могут служить источниками создания новых химерных транскрибируемых генов или семейств генов из различных комбинаций представленных в них кодирующих экзонов. По некоторым оценкам от 150 до 350 генов могут различать геномы шимпанзе и человека. Не умаляя значения для видообразования фактов появления новых и исчезновения старых кодирующих последовательностей, следует подчеркнуть реальную возможность существования иных механизмов, играющих определяющую роль в эволюции эукариот. Одним из движущих механизмов эволюции являются мобильные элементы, найденные у всех исследованных в этом отношении видов. Изменения генома, сопровождающие процесс видообразования, могут включать обширные реорганизации кариотипа, локальные хромосомные перестройки, дупликации семейств генов, модификации отдельных генов, сопровождающиеся их рождением или утратой, а также различия в экспрессии генов, регулируемые как на уровне транскрипции, так и на уровнях сплайсинга или трансляции. Мобильные элементы имеют непосредственное отношение ко всем этим процессам. В некоторых случаях мобильные элементы сами несут последовательности, кодирующие ферменты, присутствие которых необходимо для осуществления транспозиции ДНК или ретропозиции РНК. Подобные последовательности присутствуют в геноме ретровирусов, LTR- элементов и транспозонов. К числу ретротранспозонов относится и наиболее многочисленный класс мобильных элементов – Alu-повторы. Впервые Alu- повторы появляются у приматов около 50-60 миллионов лет назад из небольшого РНК-кодирующего гена. В процессе дальнейшей эволюции происходит дивергенция и мощная амплификация этого семейства. Переход от приматов к человеку сопровождается взрывообразным нарастанием числа Alu-повторов, количество копий которого по некоторым оценкам достигает 1,1 миллиона. Alu-повторы занимают около 10% генома человека, но их распределение неравномерно, так как они в большей степени ассоциированы с генами. Эти элементы редко присутствуют в кодирующих экзонах и достаточно часто обнаруживаются в интронах и в не кодирующих районах мРНК, оказывая влияние на стабильность этих молекул и/или эффективность трансляции. Присутствие Alu-последовательностей в интронных областях генов может сопровождаться изменением характера процессинга преРНК, так как эти последовательности содержат районы, гомологичные донорным и акцепторным сайтам сплайсинга. При инсерции Alu-элементов в регуляторные районы гена может нарушаться транскрипция, следствием чего может быть инактивация функции гена. Именно с этим, например, связано появление только у гоминидов тканеспецифического характера экспрессии ABH-антигенов в эритроцитах. В общем случае перемещение мобильных элементов по геному носит случайный характер, хотя существует немало примеров сайт-спецефического встраивания транспозонов. Иногда подобные инсерции могут приводить к резкому увеличению частоты возникновения множественных высоко специфичных нестабильных мутаций. Это явление получило название инсерционный мутагенез . Важно отметить, что массовые направленные перемещения мобильных элементов в популяциях и лабораторных линиях животных могут происходить под действием различных форм стресса, включая длительный инадаптивный отбор и жесткий инбридинг. Инсерционный мутагенез является одним из мощных механизмов быстрого создания материала для отбора при резком изменении внешних условий. Оказалось, что не только последствия ретропозиции мобильных элементов, такие как структурные реорганизации генома, горизонтальный перенос генов, создание дупликаций или инсерционный мутагенез, но сами мобильные элементы способны играть значительную роль в эволюции генов. Сочетание мобильных элементов при их инсерции с регуляторными последовательностями, сайтами инициации транскрипции, сигналами полиаденелирования, сайтами сплайсинга и кодирующими участками может привести к образованию новых химерных генов. При компьютерном анализе базы данных UniGene (http://www.ncbi.nim.gov/ UniGene/), в которой представлены нуклеотидные последовательности более 14 тысяч генов человека, в 4% случаев было выявлено присутствие модифицированных мобильных элементов в белок-кодирующих районах. Подобная интеграция часто сопровождается изменением функций генов. Таким образом, эволюция структурной части ряда генов происходила при непосредственном участии мобильных элементов. Еще больший вклад эти элементы вносят в эволюцию регуляторных последовательностей. При анализе соответствующих баз данных нуклеотидных последовательностей генов млекопитающих ( http://www.mgc.nci.nih.gov/ , http://www.ncbi.nim.gov/RefSeq ) присутствие мобильных элементов было обнаружено в 25% промоторных районов и цис- действующих элементов, участвующих в координированной регуляции экспрессии ансамблей генов – «генных сетей». Таким образом, мобильные элементы влияют на экспрессию множества генов, причем это влияние особенно велико для относительно недавно дивергировавших классов генов, таких как гены иммунитета, детоксикации или гены неспецифической умственной отсталости, ассоциированные с появлением функции сознания у человека. Если вспомнить, что многие классы мобильных элементов имеют выраженную таксоно-специфичность, их интеграция с кодирующими и/или регуляторными районами генов, безусловно, способствовала дивергенции видов. Экспрессия определенных классов ретротранспозонов может играть определяющую роль в регуляции самых ранних стадий эмбриогенеза. При анализе секвенированной экспрессионной библиотеки кДНК растущих ооцитов (FGO) мыши было обнаружено, что значительная доля материнских мРНК содержит в своем составе определенные классы LTR- ретротранспозонов. Эти элементы составляют 13% от всех экспрессирующихся последовательностей. Напомним, что фаза роста в оогенезе млекопитающих характеризуется интенсивным синтезом мРНК, накоплением и сохранением этих мРНК и белков в ооплазме. В зрелых ооцитах транскрипция не обнаруживается. Она восстанавливается только на стадии поздней зиготы, когда наблюдается прогрессивная активация эмбрионального генома, продолжающаяся до стадии морулы. Таким образом, материнские мРНК и белки, накопленные в ходе роста ооцита, управляют такими важнейшими видоспецифическими процессами, как завершение мейоза, оплодотворение, репрограммирование ядер гамет и активация эмбрионального генома. Экспрессия LTR-элементов, хотя и снижается на стадии 2-клеточного зародыша, но все же сохраняется на высоком уровне, хотя ее характер и набор экспрессирующихся мобильных элементов меняется. LTR-элементы действуют на стадиях растущих ооцитов и 2- клеточных зародышей либо как альтернативные промоторы для «ранних» генов мыши, либо входят в состав химерных транскриптов в качестве первых экзонов генов хозяина. Таким образом, они принимают непосредственное участие в синхронной регуляции экспрессии множества генов на самых начальных определяющих стадиях эмбрионального развития мыши. В дальнейшем экспрессия LTR-элементов прекращается. Трудно переоценить значение для процессов видообразования последствий изменений в регуляции экспрессии генов, происходящих на начальных стадиях развития. Также как трудно переоценить значение мобильных элементов для эволюции, в целом. Несмотря на это, скачкообразное нарастание сложности организации различных форм жизни, произошедшее в последние 500 миллионов лет в процессе эволюции эукариот, нельзя объяснить только мобильными элементами. Ведь присутствие подобных элементов у прокариот не привело к существенному увеличению сложности их организации за миллиарды лет эволюции. Целая серия фундаментальных открытий, касающихся участия мобильных элементов и не кодирующих белки РНК в регуляции экспрессии отдельных генов или целых «генных сетей», легли в основу новой концептуальной революции. Согласно современным представлениям ведущая роль в определении фенотипической изменчивости высших организмов принадлежит эпигенетическим модификациям генома, реализация которых осуществляется при участии мобильных элементов и под контролем множества нетранслируемых РНК. В последнее время все более очевидной становится роль нетранслируемых РНКв эволюции эукариот. В отличие от белок- кодирующих последовательностей их численность и протяженность прямо коррелируют со сложностью организации видов. Эволюция ядер и разделение транскрипции и трансляции у эукариот способствовали распространению интронов в генах, так как их присутствие не влияло на производство мРНК и белка в клетках. Дальнейшая эволюция цис- действующих каталитических РНК в транс-действующие сплайсеосомные РНК снизила негативный отбор по отношению к интронам и допустила их вариацию по нуклеотидным последовательностям. Эта изменчивость, обеспечившая высокую информационную сложность интронов, в сочетании с их огромной численностью и преимуществом одновременной, синхронной с белок-кодирующими последовательностям транскрипции позволили, по крайней мере, части интронов занять новое эволюционное пространство в качестве контролирующих молекул. По мере становления системы коммуникаций на уровне РНК давление положительного отбора могло привести к увеличению скорости эволюции функциональных интронов и других не кодирующих белки РНК. Возникновение и эволюция новой системы, действующей на уровне РНК и контролирующей основные информационные процессы, привели к экспоненциальному росту пластичности ДНК-РНК-белковых взаимодействий. Следствием этого явилась возможность образования множественных опосредованных РНК- сигналами контактов между разными генами, а также между генами и их продуктами, что и привело к появлению многофункциональных взаимоинтегрированных белковых комплексов и экспоненциальному росту сложности организации различных форм жизни. Таким образом, геномные исследования выявили широкий спектр эволюционно значимых молекулярно-генетических изменений. Стало очевидно, что наряду с классическими мутациями генов и их рекомбинациями, ведущая роль в процессах эволюции эукариот принадлежит многоуровневым регуляторным системам, возникшим в результате симбиоза и опосредованного мобильными элементами обмена генетической информацией между дивергировавшими таксонами. Это позволяет иначе подойти к самому определению биоценоза как основной эволюционирующей системы, рассматривать его не только как множество дискретных видов, взаимодействующих на уровне внешних связей, но скорее как единый организм, способный обмениваться информацией о состоянии своих элементов, а также принимать участие в их корректировке и совершенствовании. Часть II. МЕДИЦИНСКАЯ ГЕНЕТИКА |