Чтение онлайн

В действительности во многих случаях древние организмы обладают более сложной морфологией, чем их достигшие более высокого развития родичи. В эволюционно продвинутых группах нередко происходит утрата отдельных признаков, например у позвоночных в процессе эволюции уменьшилось число костей в черепе и нижней челюсти. Древние и современные группы различаются по возрасту и по скорости морфологической эволюции. Двоякодышащие рыбы возникли почти 400 млн. лет назад, а плацентарные млекопитающие, вероятно, в четыре раза моложе. Бир и Мюллер пришли к выводу, что высокие значения С, обнаруженные у примитивных форм, отражают генные дупликации, а не приобретение новой генетической информации. В пользу этого свидетельствуют также данные Спарроу и Наумана (Sparrow, Naumann) о том, что в пределах крупных групп не наблюдается нормального распределения по величине геномов. На логарифмической шкале распределение образует ряд семейств пиков, каждое из которых соответствует двойному по сравнению с предыдущим семейством содержанию ДНК; это позволяет предполагать, что имел место ряд удвоений генома. Возможно, что во всех таксонах происходили процессы, приведшие к увеличению содержания ДНК в их ядрах, но что древние группы менее склонны освобождать свои геномы от избыточной ДНК. Возможно, в частности, что у девонских двоякодышащих рыб в период их быстрой морфологической эволюции геномы были гораздо меньше, чем у их морфологически консервативных потомков.

Второй аспект парадокса значений С состоит в том, что в пределах групп родственных животных, очень сходных по морфологической сложности и по уровню эволюционного развития, часто наблюдаются сильные различия в величине геномов. Например, Эбелинг и др. (Ebeling et al.) обнаружили, что у разных видов Bathylagus (один из родов костистых рыб) величина генома может различаться вдвое; Шуи (Chooi) выявил шестикратные различия в величине геномов у видов растений, принадлежащих к роду Vicia; наконец, данные о величине генома у нескольких видов дрозофилы, собранные Лэрдом (Laird), показывают, что значения С могут различаться в 2,5 раза.

На основании цитологического анализа установлено, что различия в значениях С между близкими организмами обычно не являются результатом полиплоидии. Правда, Шуи указывает, что среди изученных им видов Vicia было два полиплоида, однако в других случаях полиплоидия не участвует. Различия в содержании ДНК касаются всех хромосом и, очевидно, представляют собой результат ряда локальных дупликаций. Изменения в содержании ДНК, по-видимому, не связаны с политенизацией, т.е. с событием, приводящим к наличию в хромосоме двух или большего числа идентичных нитей ДНК, расположенных бок о бок. Как убедительно показали эксперименты Кавенофа и Зимма (Kavenoff, Zimm), каждая хромосома содержит лишь одну молекулу ДНК. Увеличение содержания ДНК в какой-либо хромосоме приводит к пропорциональному удлинению этой хромосомы. Кавеноф и Зимм изолировали молекулы ДНК, соответствовавшие по размеру хромосоме, из клеток дрозофил трех видов, различающихся по величине генома, и определяли длину этих молекул методами вискозиметрии. Они измеряли молекулы ДНК, выделенные из мух дикого типа, а также из мух с другими кариотипами, у которых длина хромосом увеличивалась или уменьшалась в результате транслокаций или делеций. Длина самых длинных хромосом из разных видов или кариотипов может различаться в четыре раза. Например, геномы Drosophila virilis и D. americana очень сходны по величине, но самая длинная хромосома D. americana почти вдвое длиннее самой длинной хромосомы D. virilis. Такое же соотношение наблюдалось для длины выделенных молекул ДНК этих видов, причем длина отдельных молекул ДНК была достаточно велика, чтобы можно было принять ее за количество ДНК во всей соответствующей хромосоме.

Следует думать, что организмам, сходным по своей морфологии и гистологии, необходима экспрессия сходного числа генов; соответствующие сравнения, проведенные в таких группах, как амфибии и насекомые, по-видимому, подтверждают это. У тритона (Triturus) геном примерно в 7 раз больше, чем у шпорцевой лягушки (Xenopus). Росбаш (Rosbash) и его сотрудники установили, что, в то время как геном Xenopus на 75% состоит из уникальных последовательностей ДНК, геном Triturus содержит самые разнообразные повторяющиеся последовательности и очень небольшую долю уникальных последовательностей. Большой геном тритона, по-видимому, образовался в результате многократных дупликаций большинства последовательностей, имевшихся в предковом геноме, в том числе по меньшей мере нескольких функциональных генов, потому что Росбаш и др. обнаружили, что число рибосомных генов у тритона в 7 раз больше, чем у Xenopus. Однако матричные РНК (мРНК) обоих видов - это главным образом транскрипты уникальных последовательностей их геномов. Следует отметить, что существование многочисленных мультигенных семейств, обсуждавшихся в гл. 10, не противоречит данным о том, что большинство мРНК - продукты уникальных последовательностей. Это так, потому что большая часть мультигенных семейств содержит только по нескольку членов, которые, хотя они и близки друг другу по своим нуклеотидным последовательностям, обычно достаточно дивергировали, чтобы вести себя как уникальные гены, если для определения числа копий последовательностей используется метод гибридизации.

Несмотря на то что геном тритона в семь раз больше, число генов, экспрессируемых в виде мРНК, в яичниках обоих видов, по-видимому, одинаково. Из этого логически следует, что большая часть повторяющихся последовательностей ДНК, из которых главным образом состоит большой геном тритона, очевидно, некодирующие, во всяком случае в том смысле, что они не дают мРНК.

Лендьель и Пенман (Lengyel, Penman) провели сходное исследование, сравнивая комара Aedes с эволюционно более продвинутым представителем двукрылых - дрозофилой; их работа существенно помогла разобраться в парадоксе значений С. В целом геном Aedes в шесть раз больше генома дрозофилы, но если сравнивать только уникальные части генома, то эта разница уменьшается до четырехкратной. В клетках обоих видов, выращиваемых в культуре, большая часть мРНК-продукт уникальных последовательностей. Кроме того, эти мРНК имеют примерно одинаковую длину и содержат фактически одинаковое число различных последовательностей мРНК. Таким образом, в этом случае, как и в случае Xenopus и Triturus, у двух родственных организмов с разными значениями С экспрессируется в виде мРНК одинаковое число генов. Кроме того, Лендьель и Пенман обнаружили, что ядерные РНК у Aedes по крайней мере вдвое длиннее, чем у дрозофилы. Это позволило предположить, что отдельные транскрипционные единицы у Aedes длиннее, чем у дрозофилы, но при процессинге из транскриптов вырезаются кодирующие участки одинаковой длины. Дальнейшее подтверждение этому дает кинетика превращения ядерных РНК в мРНК у этих двух видов. Дрозофила превращает в мРНК 20% своих транскриптов, a Aedes - только 3%; такое шестикратное различие может быть вызвано как транскрипцией некодирующих последовательностей, так и различиями в относительных размерах транскрипционных единиц.

Вопрос о размерах транскрипционных единиц имеет также решающее значение для того, чтобы разобраться в третьем аспекте парадокса С. Организмы, даже дрозофила с ее очень маленьким геномом, содержат гораздо больше того количества ДНК, которое можно оценить по числу экспрессирующихся у них генов. Соотношение числа полос в политенных хромосомах Drosophila melanogaster и числа экспрессирующихся у нее генов позволяет считать, что этот организм содержит примерно 5000 генов. Данные о разнообразии мРНК у дрозофилы (см. табл. 10-3) достаточно хорошо соответствуют такой оценке.

Существует третий и совершенно независимый способ оценки числа генов, основанный на частоте мутаций. Природные популяции диплоидных организмов, будь то дрозофила или человек, несут значительный генетический груз неблагоприятных мутаций. Это летальные аллели, полулетали и ряд физиологических или морфологических мутаций. Данные о размерах генетического груза суммировал Добржанский (Dobrzhansky), и здесь достаточно привести несколько примеров. В некоторых популяциях Drosophila melanogaster и D. subobscura обнаруживается до 10% морфологически аномальных особей. Еще у одного вида, у D. pseudoobscura, вторая, третья и четвертая хромосомы в 30% случаев оказываются летальными, если у одной особи окажутся две идентичные хромосомы, изолированные из природных популяций. Свыше 50% таких особей обладают пониженной жизнеспособностью. Измерения скорости приобретения геномом новых мутаций впервые произвели Г. Мёллер (H.J. Muller) и его сотрудники. Суть их метода сводится к выделению популяции мух, гомозиготных по какой-либо хромосоме (например, по Х-хромосоме), не несущей летальных мутаций. Затем производят скрещивания внутри этой популяции и в каждом поколении подсчитывают потомков, с тем чтобы определить, не появилась ли новая летальная мутация. В случае Х-хромосомы, с которой работал Мёллер, проверка была очень проста: если возникала новая мутация, то соотношение самок и самцов среди потомков вместо обычного 1:1 становилось 2:1, поскольку самцы несут только одну Х-хромосому. Мёллер и его сотрудники установили, что общая частота мутаций в геноме D. melanogaster составляет 0,05 на гамету на одно поколение.

У ряда организмов определяли также частоту мутаций отдельных генов. Стрикберджер (Strickberger) свел в таблицу многие такие данные. У Drosophila melanogaster средняя частота мутаций на гамету равна 1 * 10– 5 для любого гена. Отношение частоты мутаций на геном (U) к частоте мутаций на один локус (и) дает число генов (N), т.е.

или для D. melanogaster N = 5000, что удивительно точно совпадает с оценками, полученными другими способами. Однако все эти определения числа генов у D. melanogaster гораздо ниже 60 000, т. е. того весьма приближенного среднего числа генов, которое в ней может находиться, судя по содержанию ДНК в ее клетках. Проблема эта обостряется у организмов с более крупными геномами, например у человека. Геном человека содержит такое количество ДНК, которого хватило бы примерно на 2 млн. средних генов. Исследования частоты мутаций, сходные с проведенными на дрозофиле, провели также на человеке. Конечно, в этом случае нельзя производить скрещивания так же свободно, как при работе с мухами; однако изучение потомков от браков между кровными родственниками (двоюродными братьями и сестрами) позволяют собрать данные о частоте смертей и отклонений от нормы. Эти данные были использованы Мортоном и др. (Morton et al.), чтобы оценить частоту мутаций на геном для человека; она оказалась равной 0,1 на гамету на одно поколение. Если исходить из средней частоты (1 * 10– 5) мутаций отдельных генов и геномной частоты, определенной Мортоном и др., то число генов у человека получается равным всего 10000. Кинг и Джукс (King, Jukes), рассмотрев генетический груз, который должен лечь на популяцию человека при таких частотах мутаций, пришли к выводу, что число функционирующих генов у человека не может значительно превышать 40000. При числе генов 40000 общая частота мутирования к летальным или нефункциональным аллелям должна находиться в пределах 0,04-0,4 на гамету на поколение. Низкие оценки числа генов у человека, полученные в результате этих расчетов, трудно совместить с таким высоким разнообразием РНК, как, например, 170 000 последовательностей, обнаруженных в клетках головного мозга млекопитающих; можно лишь допустить, что большая часть этих РНК-последовательностей представляет собой не мРНК, а что-то другое. Альтернативные возможности состоят в том, чтобы предположить существование многочисленных генов с частотой мутаций ниже 1 * 10– 5 или же допустить, что большинство мутаций не сопровождается заметными фенотипическими проявлениями.

Можно возразить, что наш «средний» ген с его кодирующей последовательностью из 1500 нуклеотидных пар - недооценка, далекая от реальности. И в самом деле, существует несколько огромных генов. Например, Дейнхолт (Daneholt) и его сотрудники, а также Лемб и Дейнхолт (Lamb, Daneholt) изучали гигантскую РНК, синтезируемую в слюнных железах двукрылого Chironomus tentans. Эта РНК выходит из ядер в цитоплазму и, по-видимому, транслируется с образованием очень большой полипептидной цепи (молекулярная масса 850000). Она транскрибируется с участка ДНК, длина которого соответствует примерно 37 000 пар нуклеотидов. Однако у преобладающего большинства клеточных белков молекула в среднем состоит из 500 аминокислот, а цепи их мРНК-из примерно 2000 нуклеотидов. Избыточные 500 нуклеотидов слагаются из нетранслируемых начальных и хвостовых последовательностей на 5'-и 3'-концах мРНК. Но все же такие данные, как данные Шуи о длине транскрипционных единиц у дрозофилы, показывают, что подавляющее большинство транскриптов, из которых в результате процессинга получаются мРНК средних размеров, поставляются участками ДНК длиной в 10000-20000 нуклеотидных пар. Очевидно, кодирующая последовательность нетождественна всему гену в целом.

Впервые подозрения о том, что у эукариот геномы организованы иначе и сложнее, чем у прокариот, возникли в связи с экспериментами Хойера, Маккарти и Болтона (Hoyer, McCarthy, Bolton), проведенными в начале 60-х годов. В этих экспериментах цепи ДНК разделяли нагреванием, после чего иммобилизовали разобщенные цепи в агаровом геле. Затем к этим иммобилизованным цепям ДНК добавляли цепи, меченные изотопами. Меченные цепи, комплементарные немеченым цепям, иммобилизованным в агаре, образовывали с последними гибриды, которые можно было обнаружить по связанной радиоактивности. Хойер и др. использовали этот метод для определения эволюционного родства между ДНК различных организмов. Их эксперименты выявили гомологию геномов у широкого круга позвоночных - от лосося до человека, причем, как и следовало ожидать, наиболее гомологичными оказались геномы близкородственных видов. Результаты этих экспериментов вызвали большой интерес, как провозвестники исследования эволюции на геномном уровне.

Для того чтобы произошла гибридизация ДНК (представляющая собой реакцию второго порядка), необходимы столкновения двух комплементарных цепей. Реассоциация одиночных цепей, присутствующих в концентрации С, описывается уравнением

где t– время, а k– константа скорости реассоциации. Если начальную концентрацию одноцепочечной ДНК при t = 0 обозначить С0, а концентрацию одноцепочечной ДНК, сохранившейся к моменту времени t , как С, то, проинтегрировав это уравнение, получим