Эволюция генов

Содержание

О происхождении генов

Эволюция генов

Print PDF

Хенрик Кессман, см. его публикации

«Последую примеру другого цитируемого здесь автора ЖЖ, — попробую пересказать эту статью вольным стилем на русском языке. Точный перевод названия статьи «Происхождение, эволюция и фенотипическое действие новых генов».

Авторы сосредоточены на выявлении всех известных на данный момент механизмов приобретения функционально полезных (адаптивных) новых генов, которые могут кодировать новый белок или новую некодирующую РНК (такие РНК обычно работают как регуляторы разнообразных внутриклеточных процессов). Важно отметить, что это не теоретическая разработка, а именно анализ реальных данных по геномам и по функциям генов.

1.Появление новых генов из дуплицированных предковых белок-кодирующих генов и генов некодирующих РНК

Для начала рассматривается хорошо известная схема, включающая:

1) дупликацию какого-то уже существующего гена, а затем 2) постепенное мутационное преобразование этого гена или обоих, которое может, при счастливом стечении обстоятельств, привести к появлению у этого гена (генов) новой функции.

Дупликация может быть следствием а) неравного кроссинговера при мейозе (дупликация хромосомных сегментов); б) полиплоидизации генома (кратное увеличение полного набора хромосом; в) вставки в геном фрагментов ДНК, которые получились в результате обратной транскрипции с собственных РНК копий исходного гена (образование ретрокопий/ретрогенов).

Средняя частота дупликаций хромосомных сегментов у эукариот оценивается диапазоном 0,01-0,001 на ген в 1 миллион лет.

Но в реальности такие события являются частыми для незначительного числа генов (1,6-3% генов) – и это все гены, отвечающие за формирование адаптаций к изменчивым условиям среды (например, гены иммунной системы); в то время, как для остальной части генов это крайне редкое событие. Интересно, что в линии человекообразных обезьян и гоминид такие дупликации встречаются чаще по сравнению с остальными приматами.

Частота образования ретрокопий генов намного ниже, чем дупликаций хромосомных сегментов. У млекопитающих, насекомых и растений встречается чаще, у птиц реже (и у них нет ретротранспозонов!). У человека в геноме есть тысячи ретрокопий, из них сотни — функциональные гены.

После появления двух копий гена возможны ситуации: а) когда старый ген сохраняет свою функцию, а новый приобретает новую функцию, либо б) когда оба гена, выполняющие исходно несколько функций сразу, разделяют обязанности между собой и специализируются в выполнении отдельных функций; в) когда оба гена сохраняют свою функцию, а из-за удвоения гена повышается количество синтезируемого продукта (РНК и белка); г) когда вторая копия оказывается нефункциональной и теряется со временем.

2.Откуда берутся промоторы для копий генов, образованных по механизму «обратная транскрипция—вставка в геном»  (ретрогенов)

Обнаруживается целых 6 вариантов:

1)      Ген может случайно вставиться рядом с GC-богатой областью, которая начинает работать как промотор.2)      Постепенное приобретение промоторной активности у близлежащей области благодаря накоплению точечных мутаций при поддержке положительного отбора.

3)      Промоторную активность может проявлять область ретротранспозона, по которому произошла вставка гена в геном (потому что вставки как раз чаще всего в такие места с ретротранспозонами и происходят).4)      Транскрипция с альтернативных промоторов, содержащихся внутри копированного гена.

5)      Вставка ретрогена внутрь кодирующей области какого-то другого гена вблизи точки начала транскрипции, и транскрипция с его промотора.

6)      Если ген вставился где-то на расстоянии от промоторной области, то просто появляется либо дополнительный участок в 5’ нетранслируемой области, либо дополнительный полипептид на N-конце белкового продукта, если раньше начинается трансляция.

3. Функциональные следствия образования ретрогенов

Оказывается, ретрогены значительно более склонны приобретать новую функцию, чем гены, дуплицированные в результате неравного кроссинговера.

Оно и понятно: другой сегмент генома, следовательно, другое окружение, другие контуры регуляции, другие группы сцепления…Мало того, случается, что смысловой цепью в ретрогене становится нить , комплементарная той, что была смысловой в исходном гене, и тогда образуется совершенно новый белок, который выполняет совершенно новую функцию. Как это ни странно…

4. К чему еще может привести ретротранспозиция

При перемещении ретротранспозонов, типа L1, они могут прихватывать с собой область хромосомы, фланкирующую ретроэлемент с 3′ конца (из-за пропуска своего сайта терминации транскрипции).

Если в этой области есть ген, то захватываются, соответственно, некоторые его части (допустим, область промотора с точкой начала транскрипции),  и попадают в новые области генома, стимулируя возникновение новых генов в прежде не кодирующей области.

В ряде случаев может перенестись и целый ген (если он небольшой).

5. Включение кусков интронов в зрелую мРНК благодаря появлению новых или исчезновению старых сайтов сплайсинга

Такой механизм не описан в этой статье, но описан в другой англоязычной статье последних лет.

Новый сайт сплайсинга может появиться путем последовательных нуклеотидных замен, но гораздо легче — переноситься с все теми же транспозонами, в которых часто уже есть донорный и/или акцепторный сайт сплайсинга.

Два таких элемента в разных частях интрона могут создать условия для включения части интрона в качестве экзона — авторы назвали такое явление «экзонизацией» («exonisation«).

6. Образование новых генов путем слияния двух старых генов

В таком случае образуется ген, кодирующий белок, который может выполнять одновременно много функций — химерный белок с несколькими разными функциональными доменами. Есть три пути образования таких генов.

1) Первый -дупликация какого-то гена со встраиванием дуплицированной копии в рамку считывания другого гена, между его 5′ и 3′ концами. 2) Второй — возможен, если два исходных гена изначально расположены рядом на хромосоме и транскрибируются в одном направлении.

Если произойдет утрата области терминации транскрипции в первом из них, то транскрипция будет идти до области терминации следующего, так что мРНК будет содержать последовательность сразу двух генов, а в результате сплайсинга этой мРНК и трансляции образуется химерный белок.

3) Про третий путь авторы статьи почему-то забыли — это рекомбинация между хромосомами в областях, находящихся внутри рамки считывания двух исходных генов.

Вероятнее всего, это будет происходить в тех случаях, когда оба исходных гена содержат какие-то сходные участки, которые могут опять же появиться там  вследствие ретродупликаций. Например, таким путем по-видимому образовался ген, кодирующий у нас бифункциональную аминоацил-тРНК синтетазу.

Часть этого белка работает как глутамат-тРНК синтетаза, а часть — как пролин-тРНК синтетаза. У исходных разделенных генов есть сходный участок, который у одного гена находится с 3′, а у другого — с 5′ конца, и по этому участку и произошла транслокация, которая привела к их объединению.

7. Возникновение абсолютно новых генов из некодирующих и неповторяющихся областей генома

Здесь все определяется двумя условиями:

1) должна быть обеспечена возможность транскрипции, то есть должна появиться область промотора перед будущим геном. Как это может произойти — уже обсуждалось выше (пункт 2);

2) должны сформироваться элементы, которые обеспечат возможность трансляции с транскрибированной РНК. То есть сигналы инициации, терминации трансляции, сигнал полиаденилирования мРНК, сайты сплайсинга.

Здесь можно предположить возможность двух путей приобретения таких элементов: последовательные замены нуклеотидов, пока не получится работающий вариант либо опять же через заимствование от других генов путем дупликаций-встраиваний или как-то еще (как и с областью промотора). У приматов, и у человека, и у дрожжей, и у дрозофилл обнаружено достаточно большое число генов, которые даже частично не похожи ни на какие гены их ближайших предков, то есть генов, сформированных, вероятно, на основе прежде не кодирующей ДНК.

Самым интересным тут является вопрос о том, как происходило включение таких новых генов в генные сети. Вероятно, это должен быть достаточно длинный путь с постепенной подгонкой структуры гена путем последовательных точечных мутаций. Само собой, на начальном этапе зарождения жизни все первые гены должны были быть НОВЫМИ.

б) Гены некодирующих (регуляторных) РНК

Таких генов, скажем, в человеческом геноме насчитывают уже сотни для  малых некодирующих и тысячи для длинных некодирующих РНК. Длинная не кодирующая РНК по-видимому может возникать в результате утраты некоторыми дуплицированными генами элементов, обеспечивающих их эффективную трансляцию.

В частности, судя по всему, таким путем образовалась Xist РНК, участвующая в инактивации Х хромосомы. Сходным образом путем ретродупликаций могут возникать и гены малых не кодирующих РНК.

В статье не говорится еще об одном варианте — когда некодирующая РНК образуется в результате активации транскрипции участка некодирующей (комплементарной) нити ДНК в области белок-кодирующего гена.

8. Участие одомашненных геномных паразитов в возникновении новых генов

Частично участие таких элементов — ретротранспозонов — уже было оговорено: они служат местами незаконных рекомбинаций, ведущих к дупликациям, они поставляют ферменты, участвующие в ретродупликациях и они сами могут приобретать функции регуляторных элементов (промоторов, энхансеров, сайленсеров и др.).

Но кроме того ретрогены могут включаться в качестве экзонов в белок кодирующие гены и выполнять функции, полезные для клетки. В частности, такое явление было показано для трех генов, участвующих в формировании плаценты, а также для одного из важных транскрипционных факторов, регулирующего экспрессию тысяч других генов клеткок млекопитающих.

Из бывших ретротранспозонов также происходят некоторые гены не кодирующих длинных и малых регуляторных РНК.

9. Горизонтальный перенос генов

Существует несколько путей горизонтального переноса генов (горизонтальный перенос — это значит, что ген не унаследован от родителей, а получен как-то иначе от другого организма, причем организмы донора и реципиента могут быть одного вида или разных видов, даже очень отдаленных в эволюционном плане).

1) У прокариот существует механизм конъюгации, когда между двумя клетками-организмами образуется канал, по которому генетический материал может перетекать из одной клетки в другую. Может показаться, что для нас, эукариот, это не так уж важно, как там эти бактерии обмениваются генами.

Но если вспомнить о том, что на определенном историческом этапе мы все прошли через микробную стадию, то станет понятно, что может быть этому обмену мы должны быть как раз прежде всего благодарны за то, чем мы стали теперь.

Ведь гораздо проще эволюционировать, собирая в себе полезные гены, уже кем-то «изобретенные» в ходе эволюции, чем «изобретать» все разнообразие необходимых генов самостоятельно. Не зря прокариоты потратили на свою эволюцию 2 миллиарда лет, пока «изобрели» все, что необходимо.

Весьма вероятно, что универсальный генетический код был выработан именно в процессе «коллективного творчества», связанного с активным взаимным горизонтальным обменом.

2) Мощными посредниками горизонтального переноса являются геномные паразиты типа ретровирусов, которые нечаянно могут прихватывать участки хромосом предыдущих хозяев и переносить к новым.

3) Горизонтальный перенос — нередкое событие в случае эндосимбиозов (от паразита к хозяину и обратно), например, от митохондрий и хлоропластов, — в прошлом бактерий-эндосимбионтов, в ядерный геном эукариот попало большое число генов самого разнообразного функционального назначения.

А еще много заимствованных генов от самых разных видов организмов, имеется у коловраток и инфузорий, хотя механизм переноса здесь остается неизвестным. Похоже на то, что они каким-то образом заимствуют гены от тех, кем питаются.

10. Сперматозоиды — как испытатели новых генов

Авторы делают любопытное замечание о том, что во-первых, в клетках предшественниках сперматозоидов новые гены возникают с довольно высокой частотой, и что во-вторых, на этапе мейоза и постмейоза этих клеток наблюдается активация экспрессии одновременно большого числа генов, включая и эти новые.

Казалось бы, зачем сперматозоидам это надо? Об этом в статье ничего не написано, так что остается лишь строить предположения. Возможно это этап первичной проверки на наличие летальных мутаций? То есть очевидно, если возникла мутация, или новый ген, который полностью нарушает нормальное протекание внутриклеточного метаболизма, то такой сперматозоид должен будет погибнуть.

А может быть тут подключается еще и иммунологическое тестирование новообразованных сперматозоидов на дефекты?

Источник biologist2

Оригинал в Genome Research

Let's block ads! (Why?)

Источник: https://socialego.mediasole.ru/o_proishozhdenii_genov

3.6.4. Эволюция генома

Эволюция генов

Вэукариотических клетках внехромосомная ДНК представлена генетическим аппаратом органелл — митохондрий и пластид, а также нуклеотидными последовательностями, не являющимися жизненно необходимыми для клетки (вирусоподобными частицами). Наследственный материал органелл находится в их матриксе в виде нескольких копий кольцевых молекул ДНК, не связанных с гистонами. В митохондриях, например содержится от 2 до 10 копий мтДНК.

Внехромосомная ДНК составляет лишь небольшую часть наследственного материала эукариотической клетки. Например, мтДНК человека содержит 16569 п.н.

ина её долю приходится менее 1% всей клеточной ДНК.

Вотличие от хромосомной ДНК, мтДНК характеризуется высокой «плотностью генов». В них нет интронов, а межгенные промежутки невелики. В кольцевой мтДНК человека содержится 13 генов, кодирующих белки (3 субъединицы цитохром С-оксидазы, 6 компонентов АТФазы и др.) и 22 гена тРНК. Значительная часть белков митохондрий и пластид синтезируется в цитоплазме под контролем геномной ДНК.

Если большинство ядерных генов представлены в клетках организма в двойной дозе (аллельные гены), то митохондриальные гены представлены многими тысячами копий па клетку.

Для генома митохондрий характерны межиндивидуальные различия, но в клетках одного индивида, как правило, мтДНК идентична.

Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК, называют плазмоном. Он определяет особый тип наследования признаков — цитоплазматическое наследование (см. разд. 6.3.2.).

3.6.4.1.Геном предполагаемого общего предка про- и эукариот

Общие принципы организации наследственного материала, представленного нуклеиновыми кислотами, а также принципы записи генетической информации у про- и эукариот свидетельствуют в пользу единства их происхождения от общего предка, у которого уже была решена проблема самовоспроизведения и записи информации на основе репликации ДНК и универсальности генетического кода. Однако геном такого предка сохранял большие эволюционные возможности, связанные с развитием надмолекулярной организации наследственного материала, разных путей реализации наследственной информации и регуляции этих процессов.

Многочисленные указания на различия в организации генома, деталях процессов экспрессии генов и механизмов ее регуляции у про- и эукариот (см. §3.4; 3.5; 3.6) свидетельствуют в пользу эволюции названных типов клеток по разным направлениям после их дивергенции от общего предка.

Существует предположение, что в процессе возникновения жизни на Земле первым шагом явилось образование самовоспроизводящихся молекул нуклеиновых кислот, не несущих первоначально функции кодирования аминокислот в белках.

161

Благодаря способности к самовоспроизведению эти молекулы сохранялись во времени. Таким образом, первоначальный отбор шел на способность к самосохранению через самовоспроизведение. В соответствии с рассмотренным предположением позднее некоторые участки ДНК приобрели функцию кодирования, т.е.

стали структурными генами, совокупность которых на определенном этапе эволюции составила первичный генотип. Экспрессия возникших кодирующих последовательностей ДНК привела к формированию первичного фенотипа, который оценивался естественным отбором на способность выживать в конкретной среде.

Важным моментом в рассматриваемой гипотезе является предположение о том, что существенным компонентом первых клеточных геномов была избыточная ДНК, способная реплицироваться, но не несущая функциональной нагрузки в отношении формирования фенотипа.

Предполагают, что разные направления эволюции геномов про- и эукариот связаны с различной судьбой этой избыточной ДНК предкового генома, который должен был характеризоваться достаточно большим объемом.

Вероятно, на ранних стадиях эволюции простейших клеточных форм у них еще не были в совершенстве отработаны главные механизмы потока информации (репликация, транскрипция, трансляция).

Избыточность ДНК в этих условиях создавала возможность расширения объема кодирующих нуклеотидных последовательностей за счет некодирующих, обеспечивая возникновение многих вариантов решения проблемы формирования жизнеспособного фенотипа.

3.6.4.2. Эволюция прокариотического генома

По мере совершенствования и повышения надежности главных механизмов потока информации значение избыточной ДНК в повышении выживаемости организмов снижалась. В такой ситуации одним из возможных направлений изменения генома было уменьшение его размеров за счет утраты некодирующих нуклеотидных последовательностей.

Именно так можно представить эволюционный путь, пройденный геномом современных прокариот. Одновременно в качестве механизмов, поддерживающих выживаемость этих форм, в историческом развитии закреплялось свойственное им короткое время генерации, т.е. интенсивное размножение и быстрая смена поколений (кишечная палочка делится каждые 20 мин).

Перечисленные особенности хорошо сочетаются с гаплоидностью прокариот, что приводит к воспроизведению в фенотипе любой мутации.

Экспрессия 95% ДНК, относительно малые размеры генома, гаплоидность, проявление в фенотипе практически каждой мутации в сочетании с коротким временем генерации обусловливают высокую приспособленность.

Вместе с тем для прокариотического типа организации не свойственны обширные и разнообразные изменения структуры. Вследствие этого описанное направление эволюции, обеспечивая высокую способность к выживанию (прокариоты существуют на Земле около 3,5 млрд.

лет), является тупиковым в плане прогрессивной эволюции живых существ.

162

Вотличие от изменений прокариотического генома преобразования генома в эволюции эукариот связаны с нарастающим увеличением количества ДНК. Это увеличение наблюдается в процессе прогрессивной эволюции эукариот (см. рис. 1.2

иразд. 3.6.3). На фоне такого увеличения большая часть ДНК является «молчащей», т.е. не кодирует аминокислот в белках или последовательностей нуклеотидов в рРНК и тРНК. Даже в пределах одного гена молчащие (интроны) и кодирующие (экзоны) участки могут перемежаться.

В составе ДНК обнаруживаются высоко и умеренно повторяющиеся последовательности. Вся масса ДНК распределена между определенным числом специализированных структур —хромосом. Хромосомы в отличие от нуклеоида прокариот имеют сложную химическую организацию.

Эукариоты в большинстве случаев диплоидны. Время генерации у них значительно больше, чем у прокариот.

Отмечаемые особенности, оформившиеся в ходе эволюции генома эукариот, допускают широкие структурные изменения и обеспечивают не только адаптивную (приспособительную), но и прогрессивную эволюцию.

Среди перечисленных выше моментов увеличение размеров генома в эволюции эукариот привлекает особое внимание. Этот процесс может осуществляться различными способами.

Наиболее резко размер генома изменяется в результате полиплоидизации, которая достаточно широко распространена в природе. Она заключается в увеличении количества ДНК и хромосом, кратном гапловдному.

Достигаемое в результате состояние полиплоидии приводит к увеличению дозы всех генов и создает избыток «сырого» генетического материала, который впоследствии видоизменяется в результате мутаций и отбора.

По-видимому, в ходе эволюции в результате накопления мутаций и дивергенции нуклеотидных последовательностей полиплоидизация сопровождалась переходом к диплоидному состоянию. Само по себе увеличение дозы генов еще не означает достижения однозначно положительного биологического результата.

Об этом свидетельствует развитие в эволюции эукариот механизмов компенсации возрастающей дозы генов в ходе их экспрессии путем сокращения времени жизни в клетках зрелой РНК.

Так, у тетраплоидных карповых рыб в ответ на увеличение дозы генов рРНК в молекулах рРНК соматических клеток возникают скрытые внутренние разрывы, которые приводят к преждевременному их старению и сокращению содержания в цитоплазме.

Если бы увеличение объема генома происходило только в результате полиплоидизации, то в природе должно было бы наблюдаться скачкообразное изменение его размеров. На самом деле этот процесс демонстрирует плавное увеличение содержания ДНК в геноме. Это позволяет допустить возможность других механизмов, изменяющих его объем.

Действительно, некоторое значение в определении размера генома имеют хромосомные перестройки, сопровождающиеся изменением содержания ДНК в них,

163

такие, как дупликации, делении и транслокации. Они обусловливают повторение, утрату некоторых последовательностей в составе хромосомы или перенос их в другие хромосомы.

Важным механизмом увеличения объема генома является амплификация нуклеотидных последовательностей, которая заключается в образовании их копий, что приводит к возникновению повторяющихся участков ДНК.

Особенностью генома эукариот является наличие таких повторов в большом количестве, свидетельствующее о существенном вкладе механизма амплификации в увеличение размеров наследственного материала. Амплифицированные последовательности образуют семейства, в которых они собраны вместе (тандемная организация) или же распределяются по разным хромосомам.

Конкретные изменения, приводящие,, к амплификации, бывают различными. Появление тандемов повторяющихся последовательностей объясняется, например, неравным кроссинговером, вследствие которого возникают многократные дупликации отдельных участков ДНК.

Возможна амплификация путем вырезания фрагмента с последующей его репликацией вне хромосомы и встраиванием копий в другие хромосомы. Предполагают также амплификацию, осуществляемую путем «обратной транскрипции» ДНК на РНК с участием фермента обратной транскриптазы с последующим встраиванием копий ДНК в различные локусы хромосом.

Во всех случаях амплификация некоторой последовательности приводит к возникновению в геноме более или менее многочисленных повторов и способствует некратному увеличению его объема.

Наличие таких повторов в сочетании с мутационным процессом является предпосылкой дивергентной эволюции однотипных последовательностей в пределах семейства с соответствующим изменением свойств кодируемых белков или РНК.

Ярким примером эволюционной судьбы амплифицированных нуклеотидных последовательностей являются семейства глобиновых генов, широко распространенных в природе у видов разных уровней организации. У высших позвоночных известен ряд глобиновых генов, контролирующих синтез полипептидов гемоглобина.

У человека в геноме имеется восемь активных глобиновых генов, образующих два семейства (см. рис. 6.5). Семейство генов, определяющих синтез α-глобинов, содержит ξ1-глобиновый ген, активно функционирующий в эмбриогенезе, и два α-глобиновых гена, которые экспрессируются у плода и взрослого человека.

Это семейство генов располагается в 16-й хромосоме в следующем порядке: 5'—ξ2—ψξ1—α2—α1—3'.

Семейство генов, определяющих синтез β-глобинов, расположенное в 11-й хромосоме, содержит ε- глобиновый ген эмбриона, два сходных γ-глобиновых гена плода GγAγ малый δ- и большой β-глобиновые гены взрослых: 5' — ε —Gγ — Aγ — δ — β — 3'.

Изучение гомологии продуктов указанных генов и генов миоглобина у разных видов организмов позволило предположить общность происхождения этих семейств. Вероятно, около 1100 млн. лет назад произошла дупликация генапредшественника, давшая начало гемоглобиновым и миоглобиновым генам. Позднее, около 500 млн. лет назад, на ранней стадии эволюции позвоночных

164

Источник: https://StudFiles.net/preview/1567430/page:31/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.