Чтение онлайн

Заключение о том, что скорость молекулярных часов определяется не каким-то одним фактором, а представляет собой среднее из нескольких скоростей, отражающих разнообразные уровни отбора, не снижает их полезности при построении молекулярных филогении. На рис. 3-3 и 3-4 представлены два примера эволюционного древа белков - цитохрома с и миоглобина. Средние скорости эволюции этих двух белков различны, а поэтому их можно использовать для отображения эволюционных событий, происходивших в совершенно различных временных масштабах. Миоглобин должен был эволюционировать достаточно быстро, поскольку в различных отрядах плацентарных млекопитающих, дивергенция которых началась в конце мелового периода, он представлен в достаточно сильно различающихся формах. Поэтому миоглобин - идеальный белок для построения молекулярной филогении млекопитающих. Цитохром с, эволюция которого протекала медленнее, может быть использован для того, чтобы проследить гораздо более широкий и древний комплекс родственных связей - связи между царствами, типами и классами эукариот. При построении филогенетических схем белков определяют наименьшее число замен нуклеотидов, необходимое для возникновения наблюдаемого в процессе эволюции различия между близкими аминокислотными последовательностями. На схеме длина ветвей, соединяющих любые две последовательности, должна быть пропорциональна числу мутационных событий, создающих различия между этими последовательностями. В целом эти белковые филогении достаточно хорошо соответствуют обычным филогенетическим схемам, при построении которых используются классические сравнительно-анатомические, эмбриологические и палеонтологические методы.

Рис. 3-3. Филогенетическое древо цитохромов с эукариот. Представлены аминокислотные последовательности следующих видов: 1-Tetrahymena pyriformis; 2-Crithidia fasciculata; 3-C. oncopelti; 4-Euglena gracilis; 5-головня; 6-пекарские дрожжи; 7-Candida sp.; 8-тунец; 9-курица; 10-человек; 11-плодовая мушка; 12-креветка; 13-улитка; 14-морская звезда; 15-Eisenia foetida; 16-Ginkgo biloba; 17-бузина; 18-пшеница (Schwartz, Dayhoff, 1978).

Рис. 3-4. Филогенетическое древо миоглобинов млекопитающих. Представлены аминокислотные последовательности следующих видов: 1-утконос; 2-кенгуру; 3-опоссум; 4-человек, павиан и игрунка; 5-еж; 6-собака и барсук; 7-морской лев и тюлень; 8-галаго; 9-толстый лори; 10-тупайя; 11-кролик; 12-тонкотелый маки; 13-дельфины и киты; 14-лошадь; 15-корова, свинья и овца (Hunt, Hurst-Calderonc, Dayhoff, 1978).

Белковые филогении, однако, не всегда совпадают с морфологическими филогениями. Например, аминокислотные последовательности цитохрома с, как это видно на рис. 3-3, распадаются на четко разграниченные ветви, соответствующие царствам простейших, грибов, растений и животных; обособлены также последовательности, относящиеся к разным типам животных. Кольчатые черви, моллюски, ракообразные, как следовало бы ожидать на основании классических подходов к филогении, образуют группу типов, отличающихся от позвоночных. Однако иглокожим на этом цитохромном древе соответствует одна из боковых ветвей кольчатых червей, что противоречит эмбриологическим данным, согласно которым иглокожие близки к хордовым (см. рис. 4-1). Сходные затруднения возникают также при рассмотрении миоглобинового древа (рис. 3-4). Расположение на нем большинства групп в разумных пределах согласуется с палеонтологическими и морфологическими данными, по лори и лемуры занимают несколько неожиданные места. По своему строению эти формы относятся к приматам, однако по аминокислотным последовательностям миоглобина они не ближе к высшим приматам, чем собаки или кролики. Это последнее экстраординарное заключение вряд ли правильно, поскольку общепринятая филогения основана на гораздо большем числе признаков, чем продукт одного гена. Общее соответствие филогении, построенных на основе молекулярных и морфологических критериев, объясняется, вероятно, длительным усреднением скоростей как морфологической, так и молекулярной эволюции. Несоответствие же может быть результатом вариаций либо скорости эволюции данного белка, либо скорости морфологической эволюции какой-либо определенной линии.

Вариации в скоростях эволюции белков, по-видимому, особенно велики в период возникновения новых функций. Белки, функции которых вполне сложились, эволюционируют с точностью часового механизма, и их можно поэтому использовать для определения молекулярных филогении. Однако в период становления функции какого-либо нового белка его эволюция, очевидно, отклоняется от точного хода молекулярных часов. Если скорость эволюции глобина экстраполировать в прошлое, как это сделано на рис. 3-1, то дивергенция глобинов приходится на поздний докембрий, т.е. на гораздо более раннее время, чем появление первых остатков Metazoa в палеонтологической летописи. Так, при этом получается, что глобин миног дивергировал от глобина насекомых более чем 1000· 106 лет назад, от гемоглобина позвоночных - 800 · 106 лет назад, а гемоглобин от миоглобина 900 · 106 лет назад. Такие экстраполяции, возможно, приводят к сильно завышенным оценкам. В соответствии с палеонтологическими данными Гудман, Мур и Матсуда (Goodman, Moore, Matsuda) предполагают, что эти белки дивергировали позднее: глобин миноги от глобинов насекомых - примерно 700· 10б лет назад, глобин миноги от гемоглобинов позвоночных - примерно 500 · 106 лет назад, а гемоглобины от миоглобинов - также около 500 · 106 лет назад. Дивергенция - и -гемоглобинов также произошла примерно 450 · 106 лет назад. Такие оценки сроков дивергенции представляются разумными, потому что древнейшие примитивные хордовые известны из среднего кембрия (примерно 550 · 106 лет назад), а остатки древнейших позвоночных-из позднего кембрия (примерно 500 · 106 лет назад). Из этих пересмотренных оценок сроков дивергенции вытекает, что в период от 500 до 400·106 лет назад скорость эволюции глобинов была гораздо выше, чем впоследствии.

Есть и другие примеры. Наилучший из них - это, вероятно, -лактальбумин - субъединица лактозосинтетазы молочной железы.
– Лактальбумин сходен по своей аминокислотной последовательности с лизоцимом и, возможно, произошел от лизоцима во время эволюции ранних млекопитающих. Согласно «Атласу аминокислотных последовательностей и структуры белков», ЕЭВ для -лактальбумина равна примерно 2,3 · 106 лет, тогда как для лизоцима она равна примерно 5 · 106 лет. Если бы эти скорости были постоянными на всем протяжении истории развития двух белков, то, учитывая аминокислотные различия между -лактальбумином и лизоцимами млекопитающих, -лактальбумин должен был возникнуть 300 · 106 лет назад - примерно за 100 · 106 лет до того, как в позднем триасе появились первые млекопитающие. Более вероятная альтернатива состоит в том, что -лактальбумин возник в триасе в качестве одного из элементов комплекса признаков, характеризующих млекопитающих, и на раннем этапе своей истории претерпел период быстрой эволюции.

Другой, особенно интересный пример обнаружил Хенниг (Hennig), описавший у мыши цитохром с, специфичный для семенников, который отличается по 13 аминокислотам от цитохрома с, содержащегося во всех других тканях мыши. Он отмечает, что если эти 13 замен локализовать на трехмерной модели молекулы цитохрома с, то окажется, что все они сконцентрированы на одном участке поверхности. В остальном вся аминокислотная последовательность идентична основному цитохрому с мыши и других грызунов (Carlson et al.). Хенниг полагает, что, судя по числу замен, дивергенция цитохрома с семенников произошла на раннем этапе эволюции четвероногих (или даже раньше) и что остальная часть его молекулы эволюционировала параллельно основному цитрохрому с. Представляется, однако, более вероятным, что цитохром с семенников - результат относительно недавней дупликации гена, имевшей место у первых грызунов, за которой последовала быстрая эволюция этого специализированного белка.

В этих примерах повышение скоростей изменения происходило в период развития новых функций, но после достижения функциональной адаптации приемлемые замены ограничивались второстепенными частями молекулы. Это, по-видимому, общее положение. Отклонения эволюции белка от нормального хода молекулярных часов не лишают нас возможности использовать белковые часы для тех промежутков времени, в которые их эволюция протекала с достаточно постоянной скоростью. Совершенно очевидно, что в тех случаях, для которых нельзя хорошо установить время дивергенции на основании палеонтологической летописи, или в линиях, у которых скорость эволюции белка может оказаться непостоянной, желательно соблюдать осторожность.

Несоответствие между морфологической и молекулярной филогениями в тех случаях, когда белки эволюционируют строго по молекулярным часам, может быть вызвано только непостоянством скоростей морфологической эволюции. Очевидно, такое несоответствие не является чем-то необычным, и разобщенность морфологической эволюции и молекулярных часов имеет большое значение. Экспериментальные доказательства того, что морфологическая эволюция связана с иной частью генома, нежели та, которая измеряется по ходу молекулярных часов, получены главным образом в работах Вилсона (Wilson) и его сотрудников.

Наиболее впечатляющим примером для иллюстрации этой гипотезы служат родственные отношения между человеком и шимпанзе. Систематики на основании морфологических различий между этими двумя организмами относят их к разным семействам, однако, как показали Кинг и Вилсон (King, Wilson), если судить по молекулярным признакам, то они связаны очень тесным родством. Степень сходства между ними поразительна. Аминокислотные последовательности 12 довольно разнообразных белков различаются всего по 7,2 из 1000 аминокислотных остатков; иными словами, аминокислотные последовательности белков идентичны более чем на 99%. Кинг и Вилсон использовали еще один метод для оценки сходства белков, сравнив поведение 44 внутриклеточных и сывороточных белков при электрофорезе. У большей части этих белков есть аллельные варианты, выявляемые методом электрофореза. Доля электрофоретически идентичных аллелей, находящихся в определенном локусе у человека и у шимпанзе, составила 0,52. Различия в последовательностях для 44 изученных таким образом аллелей вычисляли путем определения доли аминокислотных замен, выявляемых при электрофорезе, и последующей оценки общего числа накопившихся замен с применением распределения Пуассона. Согласно этим расчетам, число замен равно 8,2 на 1000 аминокислот, т. е. белки человека и шимпанзе идентичны на 99%.

Наконец, Кинг и Вилсон, используя данные Коне (Kohne) и Хойера (Hoyer) и их сотрудников об устойчивости к нагреванию гибридов между ДНК человека и шимпанзе, содержащих только уникальные последовательности, установили, что последовательность ДНК средней длины, содержащая 3000 оснований (т.е. эквивалентная 1000 аминокислот), различается у человека и шимпанзе по 33 нуклеотидам. Эта разница больше, чем предсказывали, исходя из частоты замены аминокислот в белках, но расхождение нетрудно объяснить. К такому результату могут привести как непроявляющиеся мутации, вызывающие замены нуклеотидов, не сопровождающиеся изменениями в аминокислотных последовательностях, так и мутации в некодирующих участках. Молекулярные расстояния, оцененные всеми этими методами, можно сопоставить с таксономическими расстояниями между другими организмами, по которым проведены также хорошие сравнения на молекулярном уровне. Когда Кинг и Вилсон проводили анализ генетического расстояния на основе данных электрофоретических исследований и гибридизации ДНК, они с удивлением обнаружили, что человек и шимпанзе близки друг к другу не меньше, чем виды-двойники других млекопитающих или дрозофилы. Это сходство подтверждается результатами подробного изучения строения хромосом человека и шимпанзе (Yunis et al.), свидетельствующими о почти полной идентичности «бендинга» хромосом у обоих организмов.