Достижения молекулярной генетики, активно развивающейся последние десятилетия, позволили значительно расширить представления о возможных путях эволюционных преобразований организмов в составе таксонов различного ранга — от вида до типа. Свой вклад внесли прочтение текстов ДНК различных групп организмов, развитие представлений о системной организации генома, обнаружение ряда генов и установление их гомологии и функций в разных таксономических группах, изучение молекулярных механизмов, контролирующих функцию генов и обеспечивающих формирование фенотипических признаков организмов, открытие мобильных генетических элементов и многое другое.
В соответствии с основными положениями синтетической теории эволюции, основную роль играют генные мутации, на основе которых формируются новые признаки, подвергаемые естественному отбору. И действительно, такой механизм имеет место, что также было подтверждено современными молекулярно-генетическими методами. При сравнении структуры антител, синтезируемых организмом при встрече с новым штаммом возбудителя, ученые обнаружили, что больше всего мутаций происходит в трех небольших участках длинной молекулы. Сложнейшими экспериментами было доказано, что мутированию подвергаются не только эти участки гена, но и другие, причем мутации везде происходят с одинаковой скоростью. Однако только мутации,
произошедшие в трех определенных участках молекулы, могут улучшить связывание возбудителя. Каждое новое антитело испытывается организмом, и все не подходящие к данному возбудителю отбраковываются. Таким образом, сохранение только отдельных мутаций из всего спектра представляет собой результат отбора.
Однако, как установлено к настоящему времени, эволюция на основе мутаций кодирующих последовательностей структурных генов — только один из механизмов. Другие возможные пути эволюционных преобразований — изменение некодирующих регуляторных последовательностей ДНК, дупликации генов, изменения, связанные с перемещением мобильных генетических элементов, перенос генетической информации от одного организма к другому (возможно, другого вида), хромосомные мутации, гибридизация (возможно, межвидовая), наследуемые изменения экспрессии генетической информации.
Установлено, что значительная часть нуклеотидных последовательностей в геноме эукариотических организмов некодирующая, причем в ходе эволюции эукариот доля этой части в целом возрастает. Так, в геноме человека кодирующими являются чуть более 1\% нуклеотидных последовательностей ДНК. Обнаружено также, что большинство мутаций происходит не в них, а в регуляторных областях молекул ДНК. Сравнение геномов сумчатых млекопитающих и плацентарных показало, что за 180 млн лет, прошедших после разделения этих линий, в кодирующих белок областях геномов возникло сравнительно мало мутаций. Ведущая роль в эволюции высших организмов принадлежит изменению регуля-торных участков генома, которые сами белки не кодируют, но влияют на работу кодирующих белок генов. Пример подобных изменений обнаружен при исследовании гена Duffy человека, кодирующего поверхностный рецептор, взаимодействие с которым необходимо для проникновения малярийного плазмодия в клетку. В аборигенных популяциях Африки в регуляторном районе этого гена зафиксирована мутация — замена ти-мина на цитозин, повреждающая сайт связывания транскрипционного фактора GATA. В результате этого транскрипции гена не происходит, и африканцы не имеют антигена Duffy, что обеспечивает устойчивость аборигенов Африки к малярийному плазмодию. У большинства белых европейцев регуляторный сайт гена не поврежден, что делает их восприимчивыми к малярии.
Значение подобного типа мутаций продемонстрировано и в экспериментах. В одном из них регуляторную область гена летучей мыши пересадили обычной мыши. Ген контролирует время пролиферации хря-
щевых клеток передней конечности до начала их превращения в клетки кости. Пересадка регуляторной области привела к удлинению передних лап животного-реципиента на 15\%.
Еще одним открытием, важным для понимания реализации эволюционных преобразований, стало установление огромной роли мобильных генетических элементов в возникновении мутаций. МГЭ открыты американским генетиком Б. МакКлинток в 1951 г. Это последовательности, наличие которых приводит к нестабильности генома. Они способны активно размножаться и перемещаться с места на место в ДНК. При размножении они передаются в ряду поколений — от родителей к потомкам, а некоторые из них могут передаваться и горизонтально, между таксонами. Многие МГЭ многократно повторяются в геноме. Перемещение МГЭ может вызвать мутации кодирующей части генов, ре-гуляторных последовательностей и т.д. Наличие большого числа копий МГЭ в геноме резко повышает вероятность ошибок в ходе репликации и рекомбинации ДНК, что также приводит к мутациям.
В геноме дрозофилы обнаружено более 30 семейств МГЭ, которые занимают примерно 15\% генома. Установлено, что у D. melanogaster 70\% мутаций вызваны встраиванием МГЭ.
Геном человека почти наполовину (45,5\%) состоит из всевозможных МГЭ — транспозонов, ретротранспозонов и т.п. У других организмов их объем также довольно значителен: у мыши — 40,9\%, у опоссума — 52,2\%, у курицы — 9,4\% генома. У прокариот мобильных элементов меньше, но в их геномах МГЭ также присутствуют.
Перемещаясь, МГЭ могут перетаскивать с собой небольшие фрагменты ДНК, встраивая их в новое место той же или другой молекулы. В ряде случаев это приводит к созданию новых кодирующих последовательностей ДНК, возникновению новых регуляторных элементов, ду-плицированию (удвоению) целых генов.
Так, обнаружено, что в ходе эволюции у приматов появилось много новых генов, причем в основном в результате удвоения старых. Эволюция одного из таких генов, CDC14Bretro, исследована очень подробно. Установлено, что он появился у общего предка человекообразных обезьян в результате деятельности МГЭ — ретротранспозонов. Позднее, у общего предка гориллы, шимпанзе и человека, ген претерпел быстрые изменения под действием отбора, сменив свою локализацию в клетке и функцию. Изначальный вариант белка занимался отрезанием фосфатных групп у некоего вещества в центре организации микротрубочек и тем самым управлял клеточным делением. Примерно то же самое перво-
начально делал и белок, кодируемый вновь образовавшимся ретрогеном CDC14Bretro, но уже не во всех тканях, а только в мозге и семенниках. У гиббонов и орангутанов он сохранил эту функцию до сих пор. Затем 14-7 млн лет назад у предков африканских человекообразных обезьян ретроген попал под действие отбора и быстро накопил 12 значимых замен, которые привели к смене внутриклеточной локализации и функции белка. Теперь белок стал присоединяться к мембранам эндоплазмати-ческой сети и отрезать фосфатные группы у какого-то другого вещества (об этом свидетельствует изменение активного центра).
Считают, что дупликации генов с последующим расхождением их функций — главный путь эволюционных преобразований. Подобным образом сформировалось огромное число генов в различных группах живых организмов, например, гены, кодирующие белки-кристаллины хрусталика, появившиеся у древнейших позвоночных животных, или гены, кодирующие белки-антифризы, препятствующие замерзанию воды в клетках рыб, обитающих в районе полюсов Земли.
Сравнительный анализ геномов сумчатых и плацентарных млекопитающих обнаружил, что с момента их расхождения (дивергенции) 15\% генов в линии сумчатых (опоссума) и 20\% в линии человека подверглись одной или нескольким дупликациям. В основном это гены «экологического» характера, отвечающие за взаимодействие с внешней средой: вкусовые и обонятельные рецепторы, гены иммунной системы, пищеварительных ферментов, а также гены белков, отвечающих за обезвреживание токсичных веществ (например, цитохром P450).
Формирование некодирующих последовательностей в геномах организмов в ходе эволюции также осуществлялось при участии МГЭ. Расшифровка и сравнение геномов ряда млекопитающих (человека, мыши, крысы, собаки, опоссума) показало, что значительная часть появившихся у этих животных новых некодирующих последовательностей, выполняющих регуляторные функции, сформировалась из фрагментов МГЭ — транспозонов.
Помимо существенного вклада МГЭ в процессы, описанные выше, эти элементы активно участвуют в горизонтальном переносе генетического материала, т.е. передаче генетического материала между одновременно живущими особями, причем не обязательно одного вида. Значение этого процесса для эволюции чрезвычайно велико.
Так, оказалось, что гены и даже целые геномы паразитических бактерий иногда могут вставляться в хромосомы животных-хозяев. В геномах 4 видов насекомых и 4 видов круглых червей обнаружены фрагмен-
ты генома внутриклеточной паразитической бактерии Wohlbachia (см. п. 2.4.3.4). В ряде случаев, например, у тропической плодовой мушки Drosophila ananassae, геном бактерии оказался вставлен в геном хозяина практически целиком, при этом многие гены, заимствованные мухой у бактерии, активно работают. Таким образом, внедрение ДНК организма другого таксона может быть одним из способов приобретения новых генов и признаков в эволюции высших организмов. Чаще всего перемещаются вирусные и бактериальные ДНК.
Наибольшее значение горизонтальный перенос генетического материала имеет в эволюции простейших форм жизни. Так, в геноме у одной из групп диатомовых водорослей Phaeodactylum обнаружилось 587 генов, заимствованных у различных прокариот: цианобактерий, протео-бактерий, архебактерий и других. 170 генов они получили от красных водорослей — эукариотических организмов.
Направленное изучение явления горизонтального обмена генами в разных таксономических группах организмов установило, что развитие органического мира не похоже на эволюционное древо, оно представляет собой сплетение или сеть (рис. 13.3).
Эволюционные преобразования возможны не только вследствие приобретений, но и потерь, т.е. утрата генов может открывать путь для прогрессивных изменений. Недавно обнаружилось, что некоторые гены, которые нормально работают в организме шимпанзе, у человека выключились и превратились в молчащие «псевдогены». Например, выключение гена MYH16 привело к уменьшению (редукции) жевательной мускулатуры у предков рода Homo, а это, в свою очередь, позволило мозгу начать увеличиваться. В геноме человека выявлено еще около 50 молчащих генов, аналоги которых у шимпанзе нормально функционируют. Работают они и у других обезьян, фрагменты генома которых уже прочтены.
В последние годы все более пристальное внимание эволюционисты обращают на роль хромосомных и геномных мутаций в эволюции. Считают, что наибольшее значение среди хромосомных перестроек имеют, прежде всего, инверсии и транслокации. Примеров таких мутаций достаточно много. Так, известно, что геномы человека и шимпанзе различаются десятью крупными геномными перестройками: одним слиянием и девятью инверсиями. Еще один яркий пример роли хромосомных перестроек — формирование целой группы таксонов в надвиде слепушонка Ellobius talpinus. На рис. 13.4 представлен так называемый «робертсоновский веер» — хромосомные перестройки путем слияния акроцентрических хромосом.
Рис. 13.3. Вклад горизонтального переноса генетического материала между таксонами в эволюцию
Рис. 13.4. Робертсоновский веер у слепушонок надвида Ellobius talpinus (по: Воронцов Н.Н., 1980)
Полиплоидия — также довольно распространенный механизм эволюции, причем встречается она не только у растений, но также и в других царствах. В последние годы полиплоидия открыта у целого ряда животных — рыб, амфибий, рептилий. Установлен факт, что на заре эволюции позвоночных одна за другой произошли две полногеномные дупликации, что привело к учетверению всего генома.
Определенный вклад в эволюционный процесс вносит и межвидовая гибридизация. Иллюстрацией может служить ситуация в зоне симпатрического обитания двух близких видов — обыкновенной и бело-шапочной овсянок — около 2,5 тыс. км с запада на восток, от Уральских гор до Байкала. Здесь наблюдается весьма высокий уровень гибридизации, доля гибридов в отдельных популяциях достигает 40-45\%. Процесс гибридизации динамично развивается во времени: для двух популяций за 30 последних лет прослежено резкое снижение численности белоша-почной овсянки, вплоть до ее полного исчезновения, и увеличение доли фенотипических гибридов.
Активно обсуждается вклад в эволюционный процесс открытого в конце 1970-х гг. явления кардинальной пространственной реорганизации наследственного материала. Этот феномен был обнаружен при изучении распределения хроматина в ядрах клеток малярийного комара. Установлены существенные различия в трехмерной организации хромосом между разными, в том числе и очень близкими, видами. Видо-специфичен ряд характеристик, среди которых наличие-отсутствие связей хромосом с ядерной оболочкой, морфология хромосомных участков прикрепления, локализация мест контактов на хромосомах.
Аналогичные данные получены и при изучении пространственной локализации хроматина в ядрах клеток дрозофилы. Показано, что изменение архитектуры интерфазных ядер может рассматриваться как механизм эволюционных преобразований таксонов.
На сегодняшний день хорошо известно, что не вся наследственная информация, передающаяся из поколения в поколение, кодируется последовательностью нуклеотидов молекул ДНК. Кроме этой генетической информации есть еще и так называемая эпигенетическая. Эпи-генетика («эпи» — в переводе с греческого «над») — раздел современной биологии, предметом которого является изучение наследования в ряду клеточных и организменных поколений функциональной активности генов, не связанное с изменением первичной структуры входящей в их состав ДНК.
К такого рода эпигенетическим явлениям относят, в том числе, пара-мутации, РНК-интерференцию, метилирование ДНК.
Парамутация — это устойчивое, наследуемое изменение свойств аллеля гена, возникающее в результате взаимодействия его с другим ал-лелем того же гена, при этом нуклеотидная последовательность ДНК не меняется. Парамутации впервые обнаружены у растений полвека назад, а недавно они зарегистрированы и у животных.
Классический пример парамутации дает один из аллелей гена pl1 — Pl1-Rhoades, от которого зависит окраска пыльников у кукурузы (рис. 13-5). Ген pl1 кодирует белок — транскрипционный фактор, регулирующий активность ряда других генов, которые, в свою очередь, кодируют белки, необходимые для синтеза пигмента антоциана. Аллель Pl1-Rhoades при одной и той же последовательности нуклеотидов может находиться в одном из двух состояний: «активном» (Pl-Rh, пурпурные пыльники) и «неактивном» (Pl’, светлые пыльники). Суть явления в том, что неактивное состояние аллеля Pl’ как бы «заразно», то есть аллель в активном состоянии Pl-Rh, побывав в одной клетке с неактивным аллелем Pl’, сам превращается в Pl’.
Рис. 13.5. Фенотипическое проявление парамутации аллеля Pl1-Rhoades. Слева — пурпурные пыльники (ген в «активном» состоянии, Pl-Rh), справа — светлые пыльники (ген в «пассивном» состоянии, Pl’)
На сегодняшний день удалось выяснить, что большую роль в поддержании «переключенного» состояния гена при парамутации играют молекулы РНК, передающиеся от родителей к потомкам. Кроме того, недавно выяснилось, что для устойчивой передачи парамутации из поколения в поколение необходим фермент, размножающий молекулы РНК без участия ДНК — РНК-зависимая РНК-полимераза.
С участием РНК реализуется еще один эпигенетический феномен — РНК-интерференция (см. п. 8.2.5.2). Это механизм подавления экспрессии гена на стадии трансляции. Комплементарное соединение малой интерферирующей РНК с мРНК, подлежащей трансляции, приводит к разрезанию последней ферментами (нуклеазами), и белок не синтезируется.
В 2002 г. исследователи неожиданно выяснили, что действие малых интерферирующих РНК может не ограничиваться только лишь временным выключением генов на уровне мРНК. Имеются данные, что в некоторых случаях эта РНК, видимо, воздействует прямо на ДНК, изменяя структуру хроматина и способствуя длительному молчанию одних, и, возможно, активизации других генов, что, безусловно, можно рассматривать как один из возможных эволюционных механизмов. Явление РНК-интерференции лежит, например, в основе разнообразия окраски растений петунии, имеющих один и тот же исходный генотип, при введении трансгена с интерферирующей РНК (рис. 13.6).
Другое эпигенетическое изменение экспрессии гена — метилирование ДНК (см. п. 8.2.5.2). Метилирование ДНК считается присущим, в основном, эукариотам, и заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе динуклеотида ЦГ. Около 60-70\% всех ЦГ-динуклеотидов у млекопитающих метилированы. У человека ме-
Рис. 13-6. Пример РНК-интерференции при получении трансгенных растений петунии. Крайний слева цветок — дикий тип, два других цветка содержат трансген, РНК которого включает РНК-интерференцию и в результате подавляет выражение гена, ответственного за синтез пигмента (фото с сайта http:// ru.wikipedia.org/wiki/РНК-интерференция)
тилировано около 1\% геномной ДНК. Репрессия транскрипции в этом случае опосредована метилцитозин-связывающими белками, которые способны связываться с метилированными ГЦ-динуклеотидами. Они, в свою очередь, привлекают деацетилазу гистонов и другие факторы, участвующие в модификации гистонов. В результате формируется конденсированная транскрипционно неактивная структура гетерохроматина. Метилирование ДНК связано также с такими феноменами, как геномный импринтинг и инактивация Х-хромосомы.
Влияние метилирования ДНК на структуру хроматина имеет большое значение для развития и функционирования живого организма. В частности, отсутствие метилцитозин-связывающего белка 2 (MeCP2) приводит у человека к формированию синдрома Ретта — заболевания, характеризующегося психоневрологическими нарушениями и тяжелой умственной отсталостью.
Считают, что эффекты метилирования, приводящие к преобразованию структуры хроматина и, вследствие этого изменяющие активность генов, также играют определенную роль в эволюции организмов. Установлено, что количество метилированных остатков цитозина возрастает с увеличением размера генома и сложности организма.
Помимо выявления разнообразных возможных механизмов эволюционных преобразований исследования последних лет показали, что мутирование разных участков ДНК идет с неодинаковой скоростью, мутации могут носить относительно направленный характер, эволюционные изменения могут единовременно затрагивать совокупность признаков и наблюдаться не у отдельной особи, а одновременно в целой группе организмов.
Ученые, работающие с геномами ранних зародышей дрозофил, обнаружили новый тип регуляторных нуклеотидных последовательностей — теневые энхансеры. Их действие такое же, как и основных (см. пп. 2.4.5.5-А, 8.2.5.2), только обнаружить его можно лишь при отключении основных энхансеров. Установлено, что теневые энхансеры мутируют в среднем в 1,6 раз быстрее, чем основные.
Это не единственный пример последовательностей, имеющих повышенную скорость мутаций. Так, в геноме человека выявлен ряд последовательностей, мутации в которых происходят чаще, чем в среднем. Считают, что именно эти последовательности играли особенно важную роль в становлении человека.
Интересный результат был получен при сравнении более 3000 пар ортологичных генов человека и мыши. Ортологичными называют гены
в геномах организмов разных таксонов, исходно произошедшие от одного предкового. Оказалось, что чем больше синонимичных, т.е. не ведущих к изменению структуры кодируемого белка, мутаций произошло в гене за длительное время, тем большее в нем число несинонимичных (значимых) мутаций.
Выше уже обсуждалось, что на частоту возникновения мутаций влияют и перемещения МГЭ. При встраивании их в определенные локусы частота мутирования этих локусов может превышать обычную в тысячи раз.
Многие МГЭ (транспозоны) способны встраиваться не в любое место генома, а только туда, где есть определенная последовательность нуклеотидов. Таким образом, мутации, вызываемые подобными перестройками, не совсем случайны. Все это придает эволюционным изменениям, происходящим при участии МГЭ, отчасти направленный характер. Кроме того, известно, что мутации ряда последовательностей ДНК, в частности, кодирующих р-РНК, т-РНК, гистоны, в большинстве своем являются «запрещенными». Это делает невозможным эволюционные изменения в данных направлениях.
Возможность изменения целой группы признаков даже при единичной точечной мутации определяется наличием в геномах организмов регуляторных последовательностей и генов-регуляторов. Так, мутация, затрагивающая ген-регулятор, кодирующий, например, транскрипционный фактор, приводит к одновременному изменению работы всего комплекса контролируемых им генов и, как следствие, к изменению множества определяемых ими фенотипических признаков. Например, при дифференцировке эритроцита регуляторный фактор GATA1 активирует группу генов, кодирующих все ферменты, обеспечивающие биосинтез гема, а также и α- и β-субъединицы гемоглобина. По выполненным расчетам, вероятность того, что множественные изменения возникнут в результате независимого возникновения мутаций по всей этой группе генов одновременно, практически равна нулю.
Изменение регуляторных последовательностей часто наблюдается при перемещении МГЭ. В эксперименте с арабидопсисом подобным единичным перемещением удавалось получить качественные изменения морфологии растения. Например, возможно возникновение карликовых растений с ранним цветением, извитыми листьями и терминальным цветком. Возможен цветок из двух рядов лепестков и тычинок, в котором чашелистики замещаются лепестками, а пестик тычинками и т.д. Геномы всех полученных растений практически идентичны, так как отличаются лишь небольшими фрагментами ДНК. При этом растения
характеризуются принципиальными фенотипическими различиями, которые требуют отнесения их к различным таксонам.
Сравнение геномов опоссума и человека обнаружило, что значительное количество встраиваний МГЭ, произошедшее с момента дивергенции этих групп организмов, случилось в окрестностях 240 генов, кодирующих ключевые регуляторы индивидуального развития — НОХ-генов (см. п. 8.2.10.1). Предполагают, что следствием этого стало изменение регуляции этих генов, послужившее причиной преобразований в строении организма у плацентарных млекопитающих. Модификации регуляторных последовательностей могут приводить к изменению места и времени активности подобных генов, что может проявляться в формировании структур в нетипичных местах организма, изменении протекания стадий онтогенеза, например ускоренном половом созревании или замедлении соматического роста у животных. Аналогичные последствия могут иметь и точечные мутации в самих этих генах. Параметры экспрессии гена зависят, кроме того, от функционального состояния хроматина рядом с ним. Из этого следует предположение, что хромосомные перестройки, вероятно, также могут модифицировать временные и пространственные параметры экспрессии генов.
Ряд авторов полагает возможным осуществление описанных изменений в предшественниках половых клеток до вступления в мейоз. Вследствие этого появляется сразу группа особей с измененными характеристиками, что, возможно, приводит к их репродуктивной изоляции. Показано, что массовые фенотипические изменения могут происходить при активизации перемещений МГЭ в условиях дестабилизации (разрушения) экосистем.
Интенсивность исследований в этой области стремительно нарастает в последние десятилетия и в ближайшие годы можно ожидать новых открытий.