Document 4646708

Сопровождающееся:
• приобретением и утратой генов
• мутационная изменчивость
• изменением места и времени экспрессии и репрессии генов,
• изменением генетического состава популяций,
• формированием адаптаций,
• образованием и вымиранием видов,
• преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом.
Механизм биологической эволюции включает:
• Микроэволюцию - факторы и процессы внутривидовой
дифференциации популяций, завершающиеся видообразованием;
• Макроэволюцию – надвидовую эволюцию приводящую к
формированию органов, аппаратов и систем, выполняющих
определенные функции, а также к становлению новых надвидовых
таксонов (семейств, отрядов и др.)
1. Палеонтологические ряды – ископаемые формы, связанные друг с
другом в процессе эволюции и отражающие ход исторического развития.
2. Биогеографические методы. Сравнение флоры и фауны. Реликтовые
формы.
3. Морфологические методы (сравнительно-анатомические,
сравнительно-гистологические методы – внутренние сходство как
показатель родства сравниваемых форм).
4. Гомологичные и аналогичные органы.
5. Рудиментарные органы, атавизмы указывают какая из сравниваемых
гомологичных форм родоначальная.
6. Эмбриологические методы – выявление зародышевого сходства,
принцип рекапитуляции.
7. Палеонтологические методы. Ископаемые переходные группы - формы
организмов, сочетающие признаки более древних и молодых групп.
8. Генетические методы, методы биохимии и молекулярной биологии.
Микроэволюция
Гены и признаки
Материал для отбора
Около 80% генов в
каждом
прокариотическом
геноме участвовали
в процессе
горизонтального
обмена на том или
ином этапе
эволюции.
(А.В.Марков и А.М.Куликов Палеонтологический журнал,
2005, №4, с.3-18)
Распределение белковых
семейств в трех
надцарствах живой
природы. Площади
кругов соответствуют
количеству семейств
белков, встречающихся у
представителей каждого
царства. 1157 белковых
семейств – общие для
представителей всех трех
надцарств; 2372
встречаются только у
эукариот; 831 имеются у
эукариот и бактерий; 114
– характерны для
эукариот и архей и т.д.
Семейства архейного
происхождения
Семейства бактериального
происхождения
Распределение эукариотических белков архейного и бактериального происхождения по
функциональным группам: 1 – синтез белка; 2 – редупликация, транскрипция, модификация
ДНК и РНК; 3 – сигнальные и регуляторные белки; 4 – образование мембранных везикул; 5 –
транспортные и сортировочные белки; 6 – метаболизм.
Домены, унаследованные от
эндосимбионтов
Домены, заимствованные у других
бактерий
Распределение эукариотических белков архейного и бактериального происхождения по
функциональным группам: 1 – синтез белка; 2 – редупликация, транскрипция, модификация
ДНК и РНК; 3 – сигнальные и регуляторные белки; 4 – образование мембранных везикул; 5 –
транспортные и сортировочные белки; 6 – метаболизм.
БОЛЕЗНЬ
ГЕН
ГЕН
ФУНКЦИЯ
ЧЕЛОВЕКА
ЧЕЛОВЕКА
ДРОЖЖЕЙ
ГЕНА
ДРОЖЖЕЙ
Наследственный
неполипозный
рак толстой
кишки
MSH2
MLH1
MSH2
MLH
Репарация ДНК
Муковисцидоз
CFTR
YCF1
Устойчивость к
металлам
Болезнь Вилсона Коновалова
WND
CCC2
Транспорт меди
Атаксия телеоангиэктазия
FTM
TEL1
P13 киназа
Миотоническая
дистрофия
DM
YPK1
S/T
протеинкиназа
Нейрофиброматоз
(тип 1)
NF1
IRA2
Ингибирующий
регуляторный
белок
Разные организмы имеют множество сходных генов,
происходящих от общего предка, и поэтому функция
гена в одном организме сходна с таковой у похожего
по последовательности нуклеотидов гена в другом.
Группы
организмов
Размер генома
(тпн)
Гены,
кодирующие
белки
Гены,
кодирующие
РНК
Грибы
19 - 100
8 - 14
10 - 28
Одноклеточные
6 - 100
3 - 62
2-29
186 - 366
27 - 34
21 - 30
16 - 17
13
4 - 24
Растения
Животные
Мт ДНК
Митохондриальные геномы содержат гены, кодирующие
белки, в основном комплексы I – IV, а также рибосомальные
и транспортные РНК
Amborella – примитивное
цветковое растение из Новой
Каледонии – рекордсмен по
числу митохондриальных
генов, заимствованных у
других видов растений (24
гена).
• Внутриклеточный симбионт тли –
бактерия Бухнера (Buchnera)
обеспечивает своего партнера
аминокислотами, отсутствующими в
рационе насекомого.
• Геном Бухнеры в процессе сожительства
сильно упростился, однако сохранил гены
теплового шока, кодирующие шапероны,
препятствующие денатурации белка.
• Комплекс «тля – бактерия Бухнера»
совместными усилиями синтезирует
кофермент А: бактерия синтезирует
пантотеновую кислоту, а затем тля из нее
образует кофермент А.
Кофермент-А
• В геномах 4 видов насекомых и 4
видов круглых червей обнаружены
значительные фрагменты генома
паразитической бактерии Вольбахии;
• У одного из тропических видов
Дрозофилы практически весь геном
Вольбахии включен в хромосомы
насекомого и активно
экспрессируется.
• Бактерия Карсонелла (Carsonella) –
внутриклеточный паразит
листоблошек (Psyllidae) сохранила
геном размером 160 тыс. п.н., утратив
значительную часть генов и
практически все некодирующие
участки ДНК.
Drosophila ananassae – вид, в
геноме которого обнаружена
копия генома Вольбахии
Нередко и
паразиты, например
Раффлезия,
получают гены от
своих хозяев. Так
один из
митохондриальных
генов достался ей от
лианы Tetra
Tetrastigma.
Наибольший вклад в
геном человека внесен
транспозонами. Кроме
этого значительное
место занимают другие
повторяющиеся последовательности: крупные
дупликации и простые повторы.
Неинформативные интроны составляют четверть
генома. В настоящее время считают
некодирующий белки и РНК наследственный
материал важным для регуляции экспрессии
генов и в создании сложной архитектоники
хроматина.
Одним из ведущих механизмов, приводящих к появлению новых
генов, является удвоение ДНК. В зависимости от размеров
удваивающихся участков молекулярные генетики выделяют:
внутригенные дупликации
удвоение целых генов
дупликации участков
хромосом и некоторые
другие
При внутригенных дупликациях происходит удлинение гена
и соответствующего ему белкового продукта. Например, повтор в
экзонах гена Colla I трех кодонов усиливает α2-пептид коллагена
I типа аминокислотами пролином-оксипролином-глицином, что
обеспечивает плотную упаковку пептидов в коллагеновых
волокнах.
Дупликации генов рРНК привела к появлению множества
кластеров таких генов:
у прокариот – 6 -7
у эвглены зеленой – 800
у мыши – 100
у кошки – 1000
У человека – около 200 (расположены
группами в 13, 14, 15, 20 и в 21 хромосомах)
Дупликации целых генов – не единственный способ
возникновения новых генов. К аналогичным результатам
приводит и удвоение части гена, удлиняющее исходный вариант и,
следовательно, вызывающий появление другого гена и
соответствующего ему признака. Примером новообразования
генов таким способом может служить так называемое семейство
генов гормона роста. Так, в результате дупликаций и мутаций
из одного исходного гена возникли гены гормона роста,
пролактина, плацентарного лактогена и др.
• Сравнительный анализ геномов сумчатых и плацентарных
млекопитающих показал, что с момента их дивергенции в
Меловом периоде до 15% процентов генов у сумчатых и более
20% генов плацентарных млекопитающих претерпели одну или
несколько дупликаций и дивергировали, дав начало новым
семействам близкородственных генов.
Крапчатая сумчатая куница
(Dasyurus viverrinus).
Каменная куница (Martes foina).
Дивергенция сайтов
замен в парах β-глобиноых генов позволяет
восстановить картину
эволюции кластера у
человека. Схема
отражает время
обособления кластеров
гемоглобиновых генов.
• Преобразования регуляторных генов, приводящих к
изменению времени и места включения в работу (экспрессии)
генов. Активация гена на более ранних этапах онтогенеза
вызывает и усиливает прейотропный эффект гена и,
следовательно, обусловливает большее число его проявлений в
виде нескольких признаков и свойств.
• Точковая мутация в регуляторном регионе гена Duffy
исключает транскрипцию и, следовательно, синтез
поверхностного клеточного рецептора, необходимого для
проникновения малярийного плазмодия в клетку и развития
малярии.
В процессе эволюции млекопитающих разделение сумчатых и
плацентарных в Меловом периоде Мезозойской эры сопровождалось
возникновением более 20% уникальных некодирующих – регуляторных
последовательностей у последних, которое в 20 раз превышало скорость
появления структурных генов.
Увеличение числа гомеозисных
Hox – генов:
- у личиночно-хордовых (Ciona
intestinalis) – 1 кластер из 9 генов;
- у позвоночных – несколько
кластеров по 13 генов в каждом.
Каждая из хромосом в нескольких
местах связана с внутренней
мембраной ядерной оболочки.
Постоянно фиксированы на мембране
теломерные участки всех хромосом (Т),
которые располагаются на одном из
полюсов, и центромерные районы (Ц),
ассоциированые с мембраной другого
полюса ядра. Иные регионы хромосом
связаны с мембраной факультативно.
• Парамутации –
устойчивое наследуемое
состояние гена,
возникающее в
результате
взаимодействия с
другим вариантом
аллеля, без изменения
нуклеотидной
последовательности.
Сущность явления
состоит в том, что
активный аллель
побывав в одном
генотипе с неактивным
аллелем, сам проявляет
себя как неактивный.
Фенотипическое
проявление
парамутации
аллеля Pl1Rhoades. Слева —
пурпурные
пыльники (ген в
«активном»
состоянии, Pl-Rh),
справа — светлые
пыльники (ген в
Пурпурная окраска стебля кукурузы
«пассивном»
свидетельствует об активной работе
состоянии, Pl').
генов, участвующих в синтезе
пигмента антоциана. В результате
«парамутации» стебель может стать из
пурпурного зеленым без изменения
генотипа, то есть последовательности
нуклеотидов в ДНК. (Фото с сайта
www.sciencedaily.com)
• РНК-интерференция
– механизм подавления
экспрессии гена в
результате
комплементарного
соединения малой
интерферирующей РНК
(miRNA и/или siRNA)
с иРНК, подлежащей
трансляции, и
разрушение последней
рибонуклеазами.
В некоторых случаях интерферирующая РНК воздействует
непосредственно на ДНК, вызывая репрессию одних и экспрессию
других генов в течение длительного времени.
На рисунке представлено изменение цвета венчика петунии с
одинаковым генотипом в результате введения трансгена с
интерферирующей РНК.
Связывание
метаболита.
Аптамер – детектор
тиаминпирофосфата
(ТПФ) после отсоединения от полимеразы принимает определенную конформацию.
Связываясь с ТПФ, он
переходит в состояние с
более плотной упаковкой и прочно удерживает метаболит.
Механизмы действия переключателей. Для регуляции синтеза
белков рибопереключатели используют несколько стратегий. В
отсутствии ТПФ сайт инициации трансляции остаётся доступным для
рибосомы и синтезу белка
ничто не препятствует (а, слева). При появлении ТПФ, он
связывается с аптомером и
участок, содержащий сайт инициации образует шпильку, блокируя трансляцию (а, справа).
Рибопереключатель, связывающий кофермент флавинмононуклеотид (ФМР), образует
шпильку, прерывающую транскрипцию РНК (б). Один из
рибозимов в результате связывания с глутамин-6-фосфатом
запускает процесс
саморасщепления (в).
• Метилирование ДНК заключается в присоединении
метильной группы к цитозину в комплементарной паре Ц-Г.
Возникает репрессия транскрипции метилцитозинсвязывающими белками.
• Влияние метилирования ДНК на структурно-функциональную
организацию хроматина имеет большое значение для развития
организма. Например, отсутствие метилцитозин-связывающего
белка 2 (MeCP2) приводит к развитию у человека синдрома
Ретта, характеризующегося психоневрологическими
нарушениями и умственной отсталостью.
• Установлено, что количество метилированных остатков
цитозина возрастает с увеличением размера генома и прямо
пропорционально сложности организма.
• Конъюгация – целенаправленная передача ДНК одним
организмом другому.
• Трансформация – захват клеткой «чужой» ДНК из внешней
среды.
• Трансдукция – горизонтальный перенос ДНК в составе
вирусов, плазмид и МГЭ.
• Перенос в симбиотических системах при физическом контакте
клеток.
• «Случайное» включение генов других организмов в ходе
реапарации разрывов молекулы ДНК.
• Половой процесс.
Один из способов
горизонтального
обмена генами –
вирусный перенос.
Репродуктивные циклы
ретровирусов и ретропозонов
представляют собой
чередование стадий прямой и
обратной транскрипции.
Образование инфекционных
частиц, покидающих клетку и
заражающих другие клетки
характерно только для
ретровирусов.
Ретровирусы могут переносить клеточные последовательности.
Гены ретровируса, встроившегося в геном предка узконосых
обезьян свыше 40 млн. лет назад, экспрессируются в плаценте
обезьян и человека:
• управление слияния
клеток наружного
слоя плаценты
(симпласт);
• защита эмбриона
от иммунной
системы матери;
• защита эмбриона
от вирусных атак
путем блокирования
рецепторов клеточной
поверхности.
Роль ретротранспозонов:
• Перемещение ретротранспозонов по геному создает
нестабильность (пластичность) наследственного
материала;
• Увеличение частоты мутирования генов;
• Повышение уровня полиморфизма (увеличение частоты
транслокаций в стрессовых ситуациях – рецепторы
стресса);
• Ген фермента (рибозим/энзим) теломеразы;
• Ген фермента транспозазы и его производные – гены
семейства белков RAG (иммуноглобулины);
• Ген PEG10 – один из генов, обеспечивающих развитие
плаценты (приобретен предками плацентарных около 60
млн лет назад), обусловливает удлинение
эмбрионального развития – увеличение размеров мозга.
Роль транспозонов:
• Перестройка генома хозяина
Рекомбинация между инвертированными
повторами меняет ориентацию вставки
относительно геномного окружения
Рекомбинация между прямыми повторами
приводит к вырезанию фрагмента; каждый
продукт рекомбинации имеет одну копию
повтора
Роль транспозонов:
• Деятельность в роли генов
транскрипционных
факторов (ТФ);
• Гены ТФ (THY3 и FAR1)
транспортных белков
фитохрома А (регулятор
цветения)у Арабидопсиса;
• Более 16% регуляторных
последовательностей –
участки МГЭ.
Ретропсевдогены (псевдогены) представляют собой ДНКкопию иРНК, возникшую в результате обратной транскрипции,
интегрированную в геном. Отсутствие промотора в
подавляющем большинстве случаев препятствует траскрипции.
Роль ретропсевдогенов:
• Не изучена;
• Нет промоторов;
• Эволюционный тупик.
• У возбудителя проказы Mycobacterium leprae, также как и у
возбудителя чумы, при формировании современного генома имели
место редукционные события двух типов: утраты функции генов за
счёт их превращения в псевдогены и полной потери определённых
сегментов генетического материала. Сравнение проводили с ближайшим генетическим родственником — возбудителем туберкулёза
Mycobacterium tuberculosis. Согласно расчёту, возбудитель
проказы в ходе редуктивной эволюции потерял около 2000 генов.
• В геноме человека выявлено более 50 генов, аналоги которых активно
экспрессируются у шимпанзе и других человекообразных обезьян.
Среди них ген MYH16, принимающий участие в развитии
жевательной мускулатуры. По мнению некоторых ученых это явилось
одним из моментов, способствующих увеличению мозгового черепа и,
следовательно, мозга.
• Гены and1 и and2 обнаружены у костных рыб, а также у слоновой
акулы (Callorhinchus milii) – древней хрящевой рыбы.
Существование гена, кодирующего актинодин, у слоновой акулы
показывает, что это древнее семейство генов позвоночных, которое у
надкласса четвероногих исчезло или очень сильно изменилось.
• У наземных позвоночных таких генов просто нет. Из этого ученые
сделали вывод, что гены имеют древнее происхождение, а в процессе
выхода рыб на сушу утрачены за ненадобностью.
• У более высокоорганизованных групп живых организмов в
большей степени изменяется сам процесс реализации
наследственной информации. В результате различного
соединения экзонов он дает разные по последовательности
нуклеотидов иРНК, синтезированные на одном и том же гене.
Такие иРНК транслируются в неодинаковые белки – разные
признаки. При изучении процессов реализации
наследственной информации оказалось, что у круглого червя
C.elegans альтернативный сплайсинг характерен лишь для 20%
генов, в то время как у человека примерно 94% генома
реализуется с участием этого процесса.
При альтернативном сплайсинге в
различных ситуациях (на рис. – в
различных тканях организма)
сшиваются в зрелые иРНК
неодинаковые экзоны, а иногда и
интроны. В результате этого на
основе информации, заключенной
в одном гене, образуется
несколько белковых продуктов.
• мутационный процесс - постоянно
действующий источник
наследственной изменчивости.
• Гены мутируют с определенной частотой. Подсчитано,
что в среднем одна из 100 тыс. - 1 млн гамет несет вновь
возникшую мутацию в определенном локусе. Поскольку
одновременно мутируют многие гены, то 10-15% гамет
несут те или иные мутантные аллели. Поэтому
природные популяции насыщены самыми
разнообразными мутациями.
Лауреат Премии Президента РФ в области образования
Академик РАЕН профессор Владимир Борисович Захаров
vb-zakharov@yandex.ru
+7 985 9281842