Чтение онлайн

Фитч (Fitch) и Лэнгли (Langley) подвергли проверке гипотезу о молекулярных часах, рассмотрев совокупную скорость для семи различных белков, по которым собраны обширные данные об эволюции их аминокислотных последовательностей. Хотя структурные гены, кодирующие каждый белок, характеризуются собственными частотами допустимых нуклеотидных замен, график зависимости числа замен для этих семи белков от времени, прошедшего после дивергенции организмов, из которых они были выделены, представляет собой прямую линию с наклоном, соответствующим 0,47 · 10 – 9 замен на одну пару нуклеотидов в год. Отклонения наблюдались только для белков, выделенных из тканей приматов. Эти отклонения могут быть результатом различий в скоростях эволюции белков у приматов или же, что более вероятно, ошибочных оценок времени дивергенции среди приматов по причине скудности ископаемых остатков по этой группе. Средняя скорость замены нуклеотидов, определенная Фитчем и Лэнгли, относится только к тем заменам, которые привели к изменению в аминокислотной последовательности. На основе изучения данных о нуклеотидной последовательности РНК, участвующей в синтезе гемоглобина (Salser et al., Forget et al.), Фитч и Лэнгли пришли к заключению, что непроявляющиеся мутации, т. е. изменения оснований, не приводящие к замене одной аминокислоты на другую, могут происходить в пять раз чаще, чем изменения, влекущие за собой аминокислотные замены. Так, общая частота замены нуклеотидов в структурных генах может достигать 2,8 · 10 – 9 на одну пару нуклеотидов в год. Здесь следует отметить, что лежащее в основе всех этих расчетов допущение о линейности молекулярных часов недавно было подвергнуто сомнению со стороны Корручини и др. (Corruccini et al.), а данные, которыми мы располагаем, недостаточно точны, чтобы можно было решить, является ли дивергенция линейной или нелинейной. В то время как аминокислотные последовательности белков дают возможность оценить очень специфический аспект эволюции генома - те части структурных генов, в которых заключены кодирующие последовательности, - непосредственные исследования ДНК позволяют количественно оценить частоту замены нуклеотидов в кодирующих и некодирующих элементах генома. Очевидно, что самый прямой способ получения таких данных состоит в определении нуклеотидных последовательностей ДНК, подобно тому как определяются аминокислотные последовательности белков. Недавно были разработаны методы, делающие возможным такой подход, и в ближайшее время можно будет получить большое число последовательностей ДНК. Те количественные данные об эволюции ДНК, которыми мы в настоящее время располагаем, получены по большей части в экспериментах по гибридизации ДНК, не требующих непосредственного определения нуклеотидных последовательностей изучаемой ДНК.

Принципы гибридизации просты. Двойная спираль состоит из двух цепей ДНК, соединенных друг с другом при помощи водородных связей между парами комплементарных оснований: аденин всегда образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином. В нативной ДНК две ее цепи образуют правильные пары по всей длине. Двухцепочечная ДНК может быть разделена на две одиночные нити. При соответствующих концентрациях солей и температуре комплементарные одиночные цепи могут воссоединяться, вновь образуя двухцепочечную ДНК. Существует несколько методов отделения двухцепочечной ДНК от одноцепочечной, что позволяет легко проследить за процессом ренатурации.

Геномы прокариот организованы таким образом, что каждый ген (или последовательность нуклеотидов в ДНК) обычно представлен в одной копии на гаплоидный геном. У эукариот дело обстоит сложнее. В основном геном состоит из единичных генов, но довольно значительная его часть (например, 25% у дрозофилы и 40% у мыши) состоит из последовательностей, повторяющихся от 102 до 106 раз на гаплоидный геном. Наиболее высокоповторяющисся последовательности (например те, что составляют 10% генома мыши, повторяясь 106 раз) - это последовательности сателлитной ДНК; они состоят из простых тандемных повторов, расположенных в виде дискретных блоков в определенных участках хромосом. Между последовательностями, представленными в геноме одной копией (уникальными), разбросаны умеренно-повторяющиеся последовательности, число копий которых варьирует от нескольких сотен до нескольких тысяч. Эксперименты с гибридизацией могут быть использованы для изучения эволюционных изменений, происходивших как в уникальных, так и в повторяющихся последовательностях. При этом можно получить данные двух типов. Исследуя кинетику гибридизации, можно определить число копий, а тем самым и то, как в процессе эволюции изменялась представленность данной последовательности в ДНК того или иного организма. Кроме того, эксперименты с гибридизацией не ограничены соединением комплементарных цепей ДНК, принадлежащих одному организму. Разделенные цепи ДНК из двух разных организмов можно смешать и дать им возможность соединяться. При достаточной степени родства между организмами это приведет к образованию двухцепочечных ДНК. Степень дивергенции между близкими, но не идентичными цепями таких гибридов можно легко оценить, потому что любое отклонение в последовательности нуклеотидов означает, что гибридные ДНК будут содержать несколько нуклеотидов, которые не образуют пар. Неспаренные основания снижают общую стабильность гибридной молекулы. Снижение стабильности можно измерить по последующему снижению температуры плавления такой ДНК, т. е. температуры, при которой две ее цепи разделяются. Отсутствие соответствия у 1,5% оснований приводит к снижению температуры плавления по сравнению с нативной ДНК на 1°С. Это очень мощный метод: он позволяет определить степень дивергенции нуклеотидов в ДНК любых двух организмов независимо от определения аминокислотных последовательностей белка или прямого определения последовательности ДНК.

За несколькими исключениями, такими как гены, кодирующие гистоны, структурные гены находятся в той части генома, которая состоит из последовательностей, представленных в единственном числе. Поэтому изучение скорости замены нуклеотидов в уникальной ДНК представляют особый интерес. В 1969 г. Лэрд, Мак-Конофи и Маккарти (Laird, McConaughy, McCarthy) обнаружили, что уникальные последовательности у парнокопытных эволюционировали со скоростью примерно 2,5 · 10 – 9 замен на одну пару нуклеотидов в год, тогда как Кон (Kohne) и его сотрудники установили, что у приматов эта скорость составляла от 1 · 10 – 9 до 3,6 · 10 – 9. Поскольку неполнота палеонтологической летописи приматов заставляет сомневаться в точности датирования ряда интересных точек дивергенции, в том числе и точки дивергенции человека и человекообразных обезьян, среднюю частоту замены нуклеотидов для всех приматов следует, вероятно, принять равной примерно 2 · 10 – 9 на пару нуклеотидов в год. Такие же сомнения в смысле оценок времени дивергенции вызывают работы по эволюции уникальной ДНК у морских ежей (Angerer, Davidson, Britten) и у лягушек (Galau), в которых частота замены оценивается в 1 · 10 – 9– 3 · 10 – 9 на пару нуклеотидов в год.

Хотя оценки скорости эволюции уникальной ДНК совпадают друг с другом и со средней частотой замены нуклеотидов, выведенной на основании эволюции белков, частота их замены у некоторых грызунов оказалась в 10 раз выше (Laird). Подобным же образом Сарич (Sarich) установил, что иммунологическое расстояние между альбуминами мыши и крысы на порядок выше, чем между альбуминами человека и шимпанзе. Это несоответствие опять-таки может быть частично обусловлено неточностью оценок времени дивергенции, связанной с неполнотой палеонтологической летописи по этой группе. Лэрд и его сотрудники считают, что крысы дивергировали от мышей примерно 10 · 106 лет назад, но на основании данных, полученных с использованием молекулярных часов, Сарич предполагает, что дивергенция между ними произошла 30 · 106 лет назад. Джекобе и Пилбим (Jacobs, Pilbeam) указывают, однако, что новые палеонтологические данные убедительно свидетельствуют о том, что дивергенция этих двух групп имела место в период 8-14 · 106 лет назад. Это означает, что молекулярные часы у грызунов идут быстрее, чем у других организмов. Кроме того, недавняя работа Хэйка (Hake) по молекулярной эволюции кукурузы показала, что, по крайней мере у некоторых растений, молекулярные часы идут на несколько порядков быстрее, чем это обычно наблюдается у животных. И наоборот, у некоторых групп организмов, например у ряда воробьиных Нового Света (Avise et al.), ход этих часов замедлен. Возможно, что ход молекулярных часов, как это предполагают некоторые авторы, зависит от времени генерации и стратегий размножения, а не от абсолютного числа истекших лет.

Эволюция умеренно-повторяющихся последовательностей ДНК сложнее, чем эволюция уникальной ДНК, потому что в ней участвуют события, приводящие, по-видимому, к скачкообразному возникновению новых семейств повторяющихся последовательностей, после чего происходит дивергенция последовательностей путем замены нуклеотидов. Повторяющиеся последовательности возникают, вероятно, в результате амплификации предсуществующих уникальных последовательностей. Эти события происходили во многих линиях и привели к возникновению большого числа семейств повторов. Происхождение таких семейств у приматов Старого Света схематически изображено на рис. 3-2, взятом из работы Джиллеспи (Gillespie). Используя метод гибридизации, Джиллеспи сравнивал повторяющиеся ДНК высших приматов и обнаружил, что некоторые семейства повторов были общими для нескольких линий, тогда как некоторые другие встречаются только у какой-то одной группы. Так, гиббоны, шимпанзе и человек имеют общее семейство повторов; другое семейство присуще только шимпанзе и человеку, а третье встречается у человека. События, в результате которых возникли эти семейства повторов, обозначены на рис. 3-2 номерами 1 - 3. На схеме изображены также аналогичные события для других групп, таких как павианы и их родичи. У макаки, павианов и мангобея имеется семейство повторов, возникшее в результате события 5. У мартышки это семейство повторов ДНК отсутствует, но у нее есть собственное семейство повторов, возникшее после дивергенции линии мартышек от линии павианов. У всех приматов, включенных в схему на рис. 3-2, обнаружены даже еще более давние общие семейства повторов, возникшие до дивергенции этих групп.

Рис. 3-2. Периоды времени, прошедшие от возникновения у приматов семейств повторяющихся последовательностей ДНК до наших дней. Цифрами в кружках обозначены скачкообразные события (репликации), в результате которых возникли отдельные семейства повторов. Так, семейство повторов, возникшее в результате события 1, имеется у человека, шимпанзе и гиббонов, а семейство, связанное с событием 2, - только у человека и шимпанзе. Некоторые события произошли слишком недавно, так что возникшие при этом семейства повторов имеются только в какой-нибудь одной группе (например, событие 3) (Gillespie, 1977).

Несмотря на то что одно семейство повторов может быть общим для нескольких организмов, на кривых плавления гибридных ДНК из близких повторов от двух данных организмов выявляется снижение температуры плавления. Это показывает, что после возникновения семейства повторов последовательности, из которых они состоят, начинают дивергировать путем накопления замен нуклеотидов. Интересно отметить, что умеренно-повторяющиеся ДНК, с которыми работал Джиллеспи, эволюционировали с такой же скоростью, как и уникальные последовательности ДНК. Это соответствие хода молекулярных часов наблюдается также у совершенно другого, но специфичного семейства повторов - структурных генов, кодирующих гистоны у морских ежей (Weinberg et al.).

В целом такое относительное единообразие частот замены нуклеотидов в ДНК создает впечатление, что и в самом деле существует некий «геномный метроном», задающий какую-то среднюю относительно постоянную частоту замены нуклеотидов в геномной ДНК, не зависящую ни от филогенетического положения, ни от скорости морфологической эволюции. Но представляет ли собой частота замены нуклеотидов какую-то складывающуюся за длительный период среднюю из многих скоростей эволюции последовательностей, в разной степени подвергающихся отбору, или же это процесс, в основном селективно нейтральный?

Сравнение скоростей эволюции нуклеотидных последовательностей нескольких разных типов показало, что справедливо первое предположение. Росбаш, Кампо и Гаммерсон (Rosbash, Campo, Gummerson) в экспериментах по гибридизации ДНК мышей и крыс установили, что последовательности, комплементарные суммарной мРНК, дивергировали вдвое медленнее, чем суммарная уникальная ДНК. Дело в том, что преобладающая часть последовательностей, содержащихся в уникальной ДНК, никогда не транскрибируется в мРНК, и тем самым она, по-видимому, свободна от некоторых из тех ограничений, которые налагаются на структурные гены. Подобным же образом Хольмквист (Holmquist), Джукс (Jukes) и Пэнгберм (Pangburm), а также Хори (Hori), используя прямые данные секвенирования для тРНК и 5S-PHK, установили, что эти молекулы, участвующие в синтезе белка, эволюционировали довольно медленно, со скоростью примерно 0,2·10 – 9 замен на нуклеотид в год, что составляет одну десятую часть средней скорости эволюции всего генома.

Наибольшего внимания заслуживают, пожалуй, работы Кафатоса (Kafatos) и его сотрудников, которые сравнивали последовательности в глобиновых мРНК человека и кролика, чтобы выяснить, эволюционируют ли все участки рассматриваемой последовательности с одинаковой скоростью и приближаются ли некоторые из этих скоростей к частоте замены нуклеотидов, ожидаемой для нейтральной эволюции. Если бы скорости эволюции последовательностей, содержащихся в глобиновых мРНК, были «нейтральными», т.е. определялись главным образом частотой мутаций, поскольку роль отбора в нейтральной эволюции незначительна, то эта скорость была бы, вероятно, близка к скорости, наблюдаемой в гипервариабельных участках фибринопептидов. Фактически Кафатос и его сотрудники обнаружили, что частоты как непроявляющихся мутаций, так и мутаций, приводящих к аминокислотным заменам, гораздо ниже. Частоты замен варьировали в зависимости от участка сравниваемых мРНК. Например, некодирующая 5'-последовательность эволюционировала с такой же скоростью, как и все кодирующие последовательности, тогда как некодирующая З'-последовательность эволюционировала быстро. В участках, кодирующих критически важные участки белка, которые определяют взаимодействия с геном, эффект Бора, контакты - -цепей, аминокислотных замен не происходит, а скорость непроявляющихся нуклеотидных замен очень низка. В отличие от этого в участках, где замены аминокислот происходят, замены нуклеотидов осуществляются быстрее. Совершенно очевидно, что непроявляющиеся замены нуклеотидов не обязательно должны быть нейтральными.