Курсовая работа: Эволюция генома

Семейства – и –глобиновых генов организованы в генные кластеры, возникшие, вероятно, в результате тандемной дупликации генов. В составе указанных кластеров наряду с активно функционирующими на разных стадиях онтогенеза генами обнаружены неактивные, или псевдогены. Последние возникли, вероятно, в результате появления в них изменений, несовместимых с возможностью их экспрессии. В семействе –глобиновых генов содержится два псевдогена: и . В -семействе имеется один псевдоген. Дивергенция амплифицированных последовательностей с образованием разных генов или их семейств обусловлена накоплением в них различных изменений в виде замен оснований или других генных мутаций. О гомологии глобиновых генов обоих семейств свидетельствует наличие во всех активных глобиновых генах позвоночных двух интронных участков, занимающих в них строго одинаковое положение. Такую же организацию имеют и псевдогены у человека, у кролика. Однако в псевдогене мыши в ходе эволюции оба интрона оказались точно вырезанными.

Результатом амплификации небольших последовательностей ДНК в пределах функциональной единицы является удлинение гена, при котором из простых генов могут возникать более сложные. Это может происходить за счет тандемных дупликаций. Например, в генах, кодирующих вариабельные участки иммуноглобулинов мыши, последовательности из 600 п.н. образуются в результате 12 тандемных повторов исходной предковой последовательности в 48 п.н. Другим примером удлинения гена посредством тандемных дупликаций служит ген коллагена, который у курицы состоит из 34 000 т.н. и содержит больше 50 экзонов. Длина таких участков во всех случаях кратна девяти нуклеотидным парам. Эволюция этих экзонов, очевидно, шла от гипотетического исходного строительного блока длиной в 54 пары нуклеотидов.

Таким образом, амплификация нуклеотидных последовательностей, происходившая в процессе эволюции генома, обеспечивала не только его количественное увеличение, появление семейств генов, но и создавала предпосылки для накопления в них изменений, дивергенции генов, увеличения разнообразия контролируемых ими продуктов. [1]

2. Роль и мобильных генетических элементов горизонтального переноса генов в эволюции генома

2.1 Мобильные генетические элементы, их свойства

Мобильные генетические элементы (МГЭ, подвижные элементы, транспозируемые элементы, транспозоны и т.д.) повсеместно распространены в живой природе от плазмид, фагов и бактерий до высших животных и растений. Будучи нестабильными по своей локализации в геномах, они создают мощный источник изменчивости генов, систем их управления и геномов. Будучи сами последовательностями нуклеотидов, они тоже подвержены эволюции. Поэтому МГЭ выступают и как факторы эволюции содержащих их геномов, и как эволюционирущие объекты.

В настоящее время МГЭ найдены у бактерий (включая их фагов и плазмид), низших грибов, насекомых, растений, животных и многих других объектов. Число известных семейств МГЭ, вероятно превышает 100. У хорошо изученных объектов найдены многие десятки семейств МГЭ: например у дрозофилы их число, вероятно, достигает 50. Некоторые семейства относятся к умеренным повторам, имея десятки-сотни копий на геном, другие - к повторам высокой множественности (Alu у человека - 5—6 млн копий на геном). В сумме МГЭ различных семейств могут составлять значительную часть генома (до 10% у дрозофилы). МГЭ нестабильны, т.е. с определенной вероятностью способны к транспозициям и исключению из отдельных позиций генома (табл.1).

Таблица 1. Некоторые свойства МГЭ (Хесин, 1984; Fennegan,1985)

МГЭ	Частота транспозиций на позицию, за поколение	Количество копий МГЭ в геноме	МГЭ	Частота транспозиций на позицию, за поколение	Количество копий МГЭ в геноме
FB	10-3	30	Te	10-3	10
P	10-2-10-5	30-50	MU	10-1-10-3	10-60
Ty	10-7	30-35	MDG	10-2-10-5	10-50

МГЭ способны к воспроизведению в клетке либо через репликацию ДНК, либо через прямую и обратную транскрипцию (ретротранспозоны).В случаях, когда МГЭ не содержит генов, выполняющих клеточных функции, их часто считают "эгоистическими ДНК". Транспозиции обычно связаны с размножением копий МГЭ. В своей структуре МГЭ содержат гены транспозиции (ферментов-транспозаз - Тп-3, Тп-5 ) и др., ревертаз - ретропозоны (Ананьев, 1989). Поэтому фактически они являются отдельными репликонами. В некоторых случаях синтез транспозазы репрессируется при избыточной ее концентрации по механизму отрицательной обратной связи (Тп-3), Р-фактор дрозофилы). МГЭ содержат также разнообразные функциональные сайты - знаки пунктуации и управления (промоторы, терминаторы, операторы, репликаторы, энхансеры, регуляторные сайты теплового шока), которые существенны для окружающих участков генома. Инсерции МГЭ в кодирующие зоны генов приводят к нарушению или резкому изменению их функций. Это связано с прямым нарушением генов и с влиянием знаков пунктуации (промоторов, терминаторов и др.,) на процессы считывания. Доля таких мутаций особенно велика у прокариот, которые имеют высокую плотность кодирования информации в геноме. Инсерции МГЭ в некодирующие области (спейсеры, интроны, фланговые участки др.) приводят к более "мягким" последствиям: усилению или ослаблению активности близлежащих генов, изменению их регуляции и т.п. Такие последствия преобладают у высших эукариот, у которых кодирующая часть генома составляет ~3-5%. Показано также, что среди видимых мутаций у дрозофилы и других объектов наиболее значительную долю составляют не замены нуклеотидов, а именно инсерции МГЭ (табл. 2).

Таблица 2 Доля спонтанных мутаций, вызванных инсерциями МГЭ, в различных локусах Drosophilla melanogaster (Sankaranarayanan, 1988; McDonald, 1989)

Локус	Доля инсерций МГЭ среди видимых спонтанных мутаций	МГЭ (число мутаций)
V (vemillion)	4/5	mg-2-(3), BI04 (1)
ct (cut)	28/28	mdg-4 (27), copia (1)
ry (rosy)	3/5	calypso (1), BI04 (1)
f (forked)	¾	mdg-4 (3)
su (s)	5/7	mdg-4 (5)
Bx (Beadex)	4/4	mdg-4 (2) ,BI04 (2)
bx (bithorax)	8/9	mdg-4 (7) ,BI04 (2)
sc (scute)	2/2	mdg-4 (2)
Antr (Antennapedia)	2/5	BI04 (2)

2.2 Отбор, температурные воздействия и динамика рисунка локализации МГЭ в геноме

Гибридизация in situ ДНК МГЭ с политенными хромосомами дрозофилы была тем методом, который позволил исследовать популяционную динамику рисунков локализации МГЭ. Гвоздев, Кайданов и др. впервые обнаружили, что отбор по количественному признаку половой активности самцов дрозофилы приводил к направленному изменению рисунка локализации copia-подобных МГЭ. Сходные явления были обнаружены также в других системах МГЭ дрозофилы.

Васильева и др. (1987) селекционировали лабораторную популяцию D. melanogaster с прерванной радиальной жилкой крыла (олигогенная мутация radius incompletus — ri). Контрольная популяция riC имела проксимальный и дистальный фрагменты (табл. 3).

Таблица 3. Средняя длина проксимального (Х1) и дистального (Х2) фрагментов радиальной жилки крыла у самок различных линий дрозофил (генеалогию линии см. на рис. 1)

линия	год начала культивирования линии	поколение	Х1	Х2
riC	1974	220	1.91÷0.05	0.39÷0.07
riSN	1974	220	0.50÷0.02	отсутствует
riTII3	1979	140	1.05÷0.05	отсутствует
riTII49	1979	140	2.45÷0.09	1.47÷0.08
riSP	1982	40	3.80÷0.02	2.20÷0.03

В результате 70 поколений минус-отбора жилка была почти полностью редуцирована, и далее фенотип устойчиво воспроизводился без дальнейшего отбора в течение более 300 поколений (линия riSN). В результате 40 поколений плюс-отбора жилка была полностью восстановлена, фенотип далее тоже воспроизводится без дальнейшего отбора многие десятки поколений (линия riSP). В табл. 3 приведены количественные итоги селекции. Сравнительный анализ рисунков локализации МГЭ mdg-1, mdg-2 и copia показал (Васильева и др., 1987; Забанов и др., 1990), что все они имеют в контрольной линии совершенно различные рисунки локализации. В результате отбора по признаку в любом из двух направлений происходили характерные изменения рисунков, хорошо воспроизводимые в повторных экспериментах. Результаты изменения признаков и рисунков локализации МГЭ достаточно устойчиво воспроизводились в отселекционированных линиях. На рис. 1 изображено генеалогическое дерево этих и других исследованных линий.

Куколки дрозофил контрольной популяции (riC) были подвергнуты температурному воздействию: ступенчатому изменению температуры культивирования — 29° -» 18° С. Фенотипы обработанных особей оказались чувствительными к этому фактически стрессовому воздействию. В наибольшей степени это проявилось при обработке в течение двух коротких периодов куколочной стадии. Опуская детали, укажем, что главным эффектом было изменение экспрессии признака в последующих поколениях, которое устойчиво наследуется свыше 200 поколений. Температурная обработка в 1-й чувствительный период (113 ±5 ч.) приводила к существенной редукции количественного признака в последующих поколениях, обработка во 2-ой чувствительный период (149 ± 5 ч.) — к почти полному восстановлению жилки. Соответствующие "температурные" линии были названы riТIIЗ и riТI49 (см. табл. 3 и рис. 1).

Генетический анализ "селекционных" и "температурных" линий показал, что полигенные факторы, влияющие на количественный признак, распределены по всем хромосомам дрозофилы (Васильева и др., 1987; Забанов и др., 1990).

Гибридизация in situ тех же copia-подобных элементов с полигенными хромосомами личинок этих линий выявила вполне определенные, существенные и воспроизводимые изменения рисунков локализации по сравнению с контрольной линией (riC). Таким образом, разовое температурное стрессовое воздействие вызывает множественные транспозиции copia-подобных МГЭ и изменения полигенов, сопровождаемые также изменениями фенотипа. Укажем, что по фенотипу полученные "температурные" линии попарно сходны с "селекционными": riSN с пТПЗ, riSP с riTI49 (см. табл. 3). В ряде изогенных линий дрозофилы множественные перемещения МГЭ обнаружены непосредственно в следующем поколении (Колесникова и др., 1991).

Рисунки локализации МГЭ по сегментам цитологической карты полигенных хромосом представляют собой линейные последовательности бинарных символов. Их можно сравнивать между собой теми же способами, что и последовательности мономеров. В каждой из пяти линий были взяты по 7—9 личинок. Для каждой пары последовательностей строились расстояния по Хеммингу, матрица таких расстояний была использована для построения дерева сходства. На рис. 2 изображено такое бескорневое дерево, построенное методом UPGMA для рисунков mdg-2.

Основной результат такого анализа состоит в том, что линии с наиболее сходными рисунками локализации МГЭ оказались также наиболее близкими и по количественным проявлениям признаков: riSN и пТПЗ, riSP и riTI49. Еще раз подчеркнем, что сходство по признаку и по рисунку локализации МГЭ проявили линии, полученные принципиально разными путями: "селекционные" — путем длительного жесткого отбора по фенотипу, "температурные" — путем разовой температурной обработки в чувствительные периоды развития. Этот факт свидетельствует о том, что рисунок локализации МГЭ и экспрессия признака связаны между собой причинно (генотип — фенотип).

Убедимся, что с точки зрения популяционных механизмов — генетического дрейфа, накопления транспозиций и др.— эта связь не случайна. Во-первых, она воспроизводима при повторном выводе "температурных" линий в 1979,1982,1985,1986 гг. Во-вторых, роль генетического дрейфа в возникновении различий между линиями можно считать малой. При культивировании всех линий выполнялся комплекс антидрейфовых мероприятий, препятствующих случайной фиксации или потере вариантов локализации МГЭ (...) т.е. случайные флуктуации частот нивелировались, а фиксация становилась маловероятной. В-третьих, мы имели для сравнения два независимо построенных дерева — генеалогическое дерево линий (см. рис. 1), отражающее реальный процесс их выведения, и дерево сходства линий (рис. 2), отражающее степень их близости по рисункам локализации МГЭ. Сравнения этих деревьев показывает, что они совершенно различны. Это значит, что в процессе выведения и микроэволюции этих линий были нарушены условия, необходимые для того, чтобы дерево сходства дивергировавших последовательностей отражало реальную топологию дерева эволюции. В-четвертых, имеется ряд факторов, указывающих на "взрывообразный" характер транспозиций МГЭ в "температурных" линиях. По данным Колосниковой и др. (1991), в изогенных линиях, выведенных из контрольной линии пС, в следующем поколении после теплового шока найдены множественные транспозиции mdg-2. Юнакович и др. , использовав блотинг по Саузерну и зонды на присутствие copia-подобных МГЭ, показали, что после теплового шока в следующем поколении происходили массовые перемещения МГЭ. С другой стороны, и в "селекционных" линиях отбор происходил весьма неравномерно и занял лишь часть времени микроэволюции, а затем был прекращен, т.е. и здесь нельзя говорить о постоянстве скорости фиксации транспозиций (Васильева и др., 1987). Именно эти особенности являются причиной несовпадения двух построенных деревьев (рис. 1, 2). Заметим, что этот случай является одним из наиболее наглядных примеров того, что дерево сходства последовательностей не всегда изоморфно отображает реальный процесс эволюции.

Наконец, в-пятых, отметим, что сходство линий по рисункам локализации МГЭ может быть либо "остаточным", поскольку все линии имеют общее происхождение (см. рис. 1), либо вновь приобретенным, если спектры изменений у линий сходны, неслучайны. Сравнение спектров отличий четырех дочерних линий от контрольной (riC) показывает, что наиболее сходные по фенотипу линии имеют наиболее сходные спектры изменений локализации mdg-2. Так, линии riSN и riT 113 имеют 27 общих изменений из 33—35 по сравнению с riC; линии riSP и riT 149 имеют 17 общих изменений из 23—30 замен. Следовательно, подавляющая часть спектров изменений в высокой степени не случайна по своему положению канализована.

Многие другие copia-подобньге МГЭ обладают подобными же свойствами. Рисунки локализации mdg-1, mdg-3, copia почти полностью различны, но деревья сходства рисунков похожи друг на друга. В то же время, рисунки МГЭ вовлекаются в отбор по многим различным количественным признакам. Поэтому можно полагать, что мы имеем дело с геномной системой влияния МГЭ на проявление различных генов, чувствительной к стрессовым внешним воздействиям и отвечающей на селекцию. [4]

2.3 Гипотеза: эволюционная роль системы МГЭ в геномах эукариот

Суммируя вышеизложенное, можно констатировать, что система МГЭ эукариотического генома обладает, по крайней мере, следующими общими функциями: 1) является источником инсерционной изменчивости генов; 2) влияет на проявление количественных и качественных признаков; 3) откликается изменением рисунков локализации многих МГЭ на отбор по признакам; 4) откликается на внешние стрессорные воздействия, в частности — температурные, вспышками транспозиционной изменчивости. Такими свойствами в разной степени обладают МГЭ различных объектов — дрожжей, дрозофилы, растений, млекопитающих.

Механизм инсерционной изменчивости достаточно ясен. Отметим только, что активация транспозиций разными путями (дисгенное скрещивание а Р—М системе (МсКау, 1988), температурное воздействие в системе copia-подобных МГЭ должна усиливать эти компоненты изменчивости. Укажем также на существование "транспозиционных взрывов" в отдельных генеративных клетках дрозофилы, возникающих после генетического воздействия или спонтанно.

Механизм влияния МГЭ на экспрессию генов эукариот требует пояснений. В целом МГЭ содержат широкое разнообразие регуляторных сайтов, среди которых наиболее интересны энхансеры и регуляторные сайты теплового шока. Известно, что энхансеры способны в десятки и сотни раз усиливать транскрипцию соседних генов на расстоянии до 5000 н.п. методом контекстного анализа показали, что в структуре многих МГЭ (в том числе — mdg-1, mdg-2, mdg-4, copia) имеются энхансеро-подобные сайты.

Регуляторные сайты теплового шока (РСТШ) присутствуют в 5'-областях перед началом транскрипции эукариотичкеских генов, проявляющих эффект теплового шока. Размер их ~14 н.п., расстояние до блока Хогнесса sS 200 н.п. Восстановлен консенсус РСТШ, характерный для таких далеких форм, как дрожжи, дрозофила, лягушка, человек: CNNGAANNTTCNNG (N—любой нуклеотид). Здесь 8 консервативных позиций. В некоторых случаях РСТШ имеют другую структуру. Чем ближе РСТШ к блоку Хогнесса, тем эффективнее активация транскрипции тепловым шоком (Bienc, 1985). РСТШ можно рассматривать как энхансеры с позитивной регуляцией.

Показано, что активация транскрипции МГЭ copia у дрозофилы и DIRS1 у дрожжей при тепловом шоке связана с наличием РСТШ в их терминальных повторах). Капитонов и др. (1987) методом контекстного анализа обнаружили РСТШ-подобные сайты в семи из 13 исследованных ими МГЭ: mdg-1, mdg-4, hobo, P дрозофилы, BS1 и CIN1 кукурузы и в ретровирусе EV1 курицы. Все они находились на расстоянии ^ 150 н.п. от начала транскрипции и имели неслучайную гомологию либо с известными РСТШ, либо с их консенсусом. В mdg-2 и в МГЭ H.M.S. Beagle дрозофилы этот вариант РСТШ не обнаружен, но это не исключает возможного присутствия других РСТШ. Сходные результаты независимо получены также Макдональдом и сотрудниками. Интересно, что РСТШ найден также в последовательности секвенированного ретровируса HTLV—III (вирус СПИД). В некоторых МГЭ найдены РТСШ-подобные сайты на расстоянии > 200 н.п. от блока Хогнеса. Отметим, однако, что наличие РТСШ-подобного сайта еще не гарантирует его функционирование.