Головна

Тема 7. Молекулярні основи еволюції

план

1. Елементарні еволюціонують фізико-хімічні структури: білки і

нуклеїнові кислоти.

2. Проблема виникнення нових генів і їх подальшої еволюції.

3. Основні тенденції в еволюції генів.

4. Теорія нейтральності (М. Кімура).

5. «недарвиновские еволюція».

6. Швидкості еволюції генів і білків. Концепція молекулярних годин.

7. Використання мітохондріальної ДНК в еволюційних дослідженнях.

8. Побудова філогенетичних древ на основі "молекулярних годин".

Різниця в структурі двох білків відображає їх дивергенцію. Цей показник відмінності між амінокислотами виражається у відсотках. Як правило, шляхом визначення дивергенції білків у різних видів зазвичай судять про терміни їх розбіжності. Таким способом складають еволюційні «годинник». З їх допомогою можна визначати мутації, які відбулися в структурі даного білка. За результатами цих вимірів визначається час появи нових генів. Дивергенція нуклеїнових кислот, природно, відрізняється від дивергенції білків, які синтезуються при їх участі. Така відмінність, як було зазначено вище, зумовлено кодуванням кожної амінокислоти трьома нуклеотидами.

Американські вчені Е. Цукеркандль і Л. Полінг, Вивчаючи молекулярні основи еволюції органічного світу, довели, що якщо третинна структура і функції певного білка особин різних типів або класів залишаються незмінними, то швидкість еволюції його приблизно постійна і однакова. Коли мова йде про еволюцію білка, то мається на увазі і еволюція гена. Швидкість еволюції білка, як правило, вимірюється числом амінокислотних замін в рік на дану позицію в білку. Природно, що еволюція різних білків і генів протікає з різною швидкістю. Проте, з огляду на сталість швидкості заміни амінокислот в складі білка, можна визначити час появи того чи іншого виду, а також момент дивергенції роду, сімейств, загону, класу, типу. Так, побудувавши родовід P-глобіну, можна визначити час, коли два нині живучих виду мали спільного предка. За допомогою таких родоводів встановлено, що загальний предок коропа і людини існував близько 400 млн. Років тому, єхидні і людини - 225 млн, собаки і людини - 70 млн. Результати вивчення еволюційних процесів на молекулярному рівні підтверджують правильність принципу дивергенції, який був висунутий Ч . Дарвіном.

Але мутації, що відбуваються в унікальних генах, можуть привести до дуже серйозних наслідків, навіть до загибелі організму. Дуже важливо також і те, який нуклеотид в триплеті зазнає змін при мутації. Так, наприклад, триплет УУУ кодує амінокислоту фенілаланін. Якщо в результаті точковой мутації третій нуклеотид цього кодону замінюється аденином або гуаніном, то кодони УУА і УУГ включають в полипептидную що ланцюг не фенілаланін, а лейцин, що призводить до істотної зміни молекули білка. В результаті таких мутацій ДНК людини виявилася гомологічною ДНК макаки на 66%, бика - на 28%, щури - на 17%, лосося - на 8%, бактерії кишкової палочкі- на 2%. Заміна нуклеотидів істинного гена, що виконує певну функцію, призводить до закріплення даного зміни природним відбором.

Заміщення науклеотідов в «псевдогенамі», тобто неактивних генах, не впливає на життєздатність організму, так як ці гени мовчазні. Тому у них заміна нуклеотидів відбувається в 10 і більше разів вище, ніж у справжніх. Це пояснюється тим, що природний відбір не може надати на них впливу.

Дослідження японського генетика Кімурі показують, що в збереженні нейтральних мутацій в поколіннях має важливе значення дрейф генів.

В результаті мутаційної мінливості відбувається еволюція білка. Вона може бути шкідливою або корисною. Корисні мутації завдяки природному відбору зберігаються в генофонді популяції. Окремі білки мають дуже стійку структуру і змінюються дуже мало або майже не змінюються при переході від організму одного виду в інший. Так, наприклад, число відмінностей за амінокислотним складом двох видів ланцюгів гемоглобіну між людиною і представниками інших загонів ссавців від 1 до 25, від 1 до 33.

Значення точкових мутацій в еволюції генів і білків. Кожна пара нуклеотидів у складі гена може піддаватися мутації. Мутація, яка зачіпає пару нуклеотидів, називається точковой. Слід нагадати, що нуклеотиди, з яких складається ДНК, по-різному реагують на вплив ззовні. У деяких нуклеотидних парах під впливом впливів середовища відбувається мутація всього один або два рази. У інших число таких мутацій може досягати декількох сотень. Такі нуклеотидні пари, в яких часто повторюються мутації, називаються «гарячими точками».

Необхідно знати, що не завжди генна мутація призводить до зміни в будові і функції білка. Мутації, які викликають невидимі зміни, названі «мовчати мутаціями». Розрізняють два види мовчазних мутацій. При одних відбувається просте заміщення одного нуклеотиду іншим без зміни амінокислот в складі білка. Свідченням правильності цієї думки є той факт, що 18 з 20 входять до складу білка амінокислот кодується більш ніж одним кодоном (від двох до шести). При інших мутаціях відбувається заміна в білкової молекулі однієї амінокислоти інший, однак така заміна не відбивається на функціях білка.

У гені крім кодової частини існують ділянки (інтрони), Які не беруть участі в трансляціях. Мутації, що виникають на цих ділянках гена, якщо не брати до уваги їх вплив на структурно-регуляторні частини, є нейтральними.

Виникнення нових генів. Нові гени виникають не на порожньому місці, а з'являються в результаті зміни існуючих. У першій стадії появи нового гена відбувається Дуплікація вихідного і в більшості випадків новий ген утворюється поблизу тієї частини хромосоми, де розташований вихідний ген. Наприклад, розглянемо, які зміни в історичному процесі відбулися у гена, що обумовлює синтез білка гемоглобіну, бере участь в переносі кисню у тварин. Вихідний ген глобіну спочатку піддався дуплікації 500 мільйонів років тому в первісних представників риб. Потім в результаті виникнення і накопичення мутацій даного гена і природного відбору відбулася дивергенція і утворилися молекули глобіну з з двома видами ланцюгів. В подальшому гени кожної ланцюга, розташовуючись в НЕ гомологічних хромосомах, утворили два різних «сімейства» генів. Одне сімейство глобінових генів утворилося завдяки дуплікації вихідного гена. У людини загальна довжина сімейства глобінових генів становить 45 тисяч пар нуклеотидів і має п'ять активних генів. З них 8% складають Екзони, які беруть участь в синтезі глобінової іРНК, ще 8% їх належать до Інтрони р-глобінових генів. Функція інших 84% ДНК, що входять в p-ген, ще не визначена. Людина, горила і павіан, що походили від одного предка, мають схожість в послідовності цих генів, що є результатом природного відбору.

Крім унікальних генів в геномі існують і псевдогени, які виникають в результаті невдалої спроби створити нові копії генів. У сімействі р-глобінових генів людини їх два. Такі «зіпсовані» псевдогени нормально не функціонують

Говорячи про молекулярні основи еволюції, перш за все, слід висвітлити зміни, які відбулися в будові і функціях нуклеїнових кислот, зокрема ДНК, а також білкових молекул, в процесі історичного розвитку. На сучасному етапі молекулярної біології можна аналізувати число відмінностей в послідовності нуклеотидів в ДНК або амінокислот в молекулі білка різних видів і за цим показником судити про ступінь їх відмінності. Оскільки кожна заміна амінокислот в молекулі білка пов'язана зі зміною одного, двох або трьох нуклеотидів в молекулі ДНК, за допомогою комп'ютерних технологій можна обчислити максимальне або мінімальне число нуклеотидних замін і на їх основі будувати висновки про заміщення амінокислот в молекулі білка.

Геном кожної рослини, тварини або гриба складається з дуже складних і різноманітних генетичних елементів. У геномі зустрічаються, по-перше, так звані унікальні гени, Які повторюються в геномі всього один або кілька разів, по-друге, гени, повторювані десятки і сотні разів, По-третє, нуклеотиди, які повторюються від десяти до тисячі разів, по - четверте, утворення, що складаються з коротких послідовностей декількох нуклеотидів, Які можуть повторюватися мільйони разів (саттелітние послідовності ДНК).

Мал. Еволюція набору глобінових генів у ссавців. Зліва - дивергенція

видів, а також різноманіття і будова набору глобінових генів (розміри

набору генів визначаються тисячами пар нуклеотидів).

Унікальні гени, які містяться в геномі організмів різних типів і класів, подібні, наприклад, блоки людини і бактерії. Багато видів, хоча і мають ідентичні системи генів або повторювані нуклеотиди, відрізняються один від одного числом цих блоків.

У клітинах еукаріотичних організмів ДНК міститься в тисячі разів більше, ніж у прокаріотів. Однак в межах великих таксономічних категорій - типів і класів рослин, тварин, грибів не можна судити про ступінь складності їх організації за змістом ДНК в їх клітинах.

Мітохондріальна ДНК (мтДНК) - ДНК, що знаходиться (на відміну від ядерної ДНК) в мітохондріях, органелах еукаріотичних клітин.

Гени, кодовані мтДНК, відносяться до групи плазмагенов, розташованих поза ядра (поза хромосоми). Сукупність цих факторів спадковості, зосереджених в цитоплазмі клітини, становить квант даного виду організмів (на відміну від генома). Мітохондріальна ДНК була відкрита Маргіт Насс і Сільвен Насс в 1963 році в Стокгольмському університеті за допомогою електронної мікроскопії і, незалежно, вченими Еллен Харлсбруннер, Хансом Туппі та Готтфрід Шацем при біохімічному аналізі фракцій мітохондрій дріжджів в Віденському університеті в 1964 році. Згідно ендосімбіотіческой теорії, мітохондріальна ДНК сталася від кільцевих молекул ДНК бактерій, і тому має інше походження, ніж ядерний геном. Зараз переважає точка зору, згідно з якою мітохондрії мають монофілетичне походження, Тобто були придбані предками еукаріот лише одного разу.

На підставі подібності в послідовності нуклеотидів ДНК найближчими родичами мітохондрій серед нині живих прокаріотів вважають альфа-протеобактерий (висувалася також гіпотеза, що до мітохондрій близькі рикетсії). Порівняльний аналіз геномів мітохондрій показує, що в ході еволюції відбувалося поступове переміщення генів предків сучасних мітохондрій в ядро ??клітини. Незрозумілими з еволюційної точки зору залишаються деякі особливості мітохондріальної ДНК (наприклад, досить велике число інтронів, нетрадиційне використання триплетів і ін.). Зважаючи на обмежену розміру мітохондріального геному велика частина мітохондріальних білків кодується в ядрі. При цьому велика частина мітохондріальних тРНК кодуються мітохондріальних геномом. У більшості вивчених організмів мітохондрії містять тільки кільцеві молекули ДНК, у деяких рослин одночасно присутні і кільцеві, і лінійні молекули, а у ряду протистов (наприклад, інфузорій) є тільки лінійні молекули. Мітохондрії ссавців зазвичай містять від двох до десяти ідентичних копій кільцевих молекул ДНК. У рослин кожна мітохондрія містить кілька молекул ДНК різного розміру, які здатні до рекомбінації. У протистов із загону кінетопластиди (наприклад, у трипаносом) в особливому ділянці мітохондрії (кінетопласт) міститься два типи молекул ДНК - ідентичні максі-кільця (20-50 штук) довжиною близько 21 т.п.о. і міні-кільця (20 000 - 55 000 штук, близько 300 різновидів, середня довжина близько 1000 п.о.). Всі кільця з'єднані в єдину мережу (Катена), яка руйнується і відновлюється при кожному циклі реплікації. Максі-кільця гомологични мітохондріальної ДНК інших організмів. Кожне міні-кільце містить чотири подібних консервативних ділянки і чотири унікальні гіперваріабельних ділянки. У міні-кільцях закодовані короткі молекули напрямних РНК (guideRNA), які здійснюють редагування РНК, транскрібіруемих з генів максі-кілець. Мітохондріальна ДНК особливо чутлива до активних форм кисню, що генеруються дихальної ланцюгом, в зв'язку з безпосередньою їх близькістю. Хоча мітохондріальна ДНК пов'язана з білками, їх захисна роль менш виражена, ніж в разі ядерної ДНК. Мутації в ДНК мітохондрій можуть викликати передаються по материнській лінії спадкові захворювання. Також є дані, що вказують на можливий внесок мутацій мітохондріальної ДНК в процес старіння і розвитку вікових патологій. У людини мітохондріальна ДНК зазвичай присутній в кількості 100-10000 копій на клітину (сперматозоїди і яйцеклітини є винятком). З множинністю мітохондріальних геномів пов'язані особливості прояву мітохондріальних хвороб - зазвичай пізніше їх початок і дуже мінливі симптоми.

У більшості багатоклітинних організмів мітохондріальна ДНК успадковується по материнській лінії. Яйцеклітина містить на кілька порядків більше копій мітохондріальної ДНК, ніж сперматозоїд. У сперматозоїді зазвичай не більше десятка мітохондрій (у людини - одна спірально закручена мітохондрія), в невеликих яйцеклітинах морського їжака - кілька сотень тисяч, а в великих ооцитах жаби - десятки мільйонів. Крім того, зазвичай відбувається деградація мітохондрій сперматозоїда після запліднення.

При статевому розмноженні мітохондрії, як правило, успадковуються виключно по материнській лінії, мітохондрії сперматозоїда зазвичай руйнуються після запліднення. Крім того, велика частина мітохондрій сперматозоїда знаходяться в підставі джгутика, яке при заплідненні іноді втрачається. У 1999 році було виявлено, що мітохондрії сперматозоїдів помічені убіквітин (білком-міткою, яка призводить до руйнування батьківських мітохондрій в зиготі).

Так як мітохондріальна ДНК не є висококонсерватівной і має високу швидкість мутації, вона є хорошим об'єктом для вивчення філогенії (еволюційного спорідненості) живих організмів. Для цього визначають послідовності мітохондріальної ДНК у різних видів і порівнюють їх за допомогою спеціальних комп'ютерних програм і отримують еволюційне древо для вивчених видів. Дослідження мітохондріальних ДНК собак дозволило простежити походження собак від диких вовків. Дослідження мітохондріальної ДНК в популяціях людини дозволило обчислити «мітохондріальну Єву», гіпотетичну прародительку всього живого в даний час людей.

Для деяких видів показана передача мітохондріальної ДНК по чоловічій лінії, наприклад, у мідій. Спадкування мітохондрій по батьківській лінії також описано для деяких комах, наприклад, для дрозофіли, медоносних бджіл і цикад.

Існують також дані про мітохондріальному спадкуванні по чоловічій лінії у ссавців. Описані випадки такого наслідування для мишей, при цьому мітохондрії, отримані від самця, згодом відторгаються. Таке явище показано для овець і клонованого великої рогатої худоби. Також описаний єдиний випадок пов'язаний з безпліддям у чоловіка.

У ссавців кожна молекула мтДНК містить 15000-17000 пар основ (у людини 16565 пар нуклеотидів - дослідження закінчено в 1981 році, за іншими джерелами 16569 пар) і містить 37 генів - 13 кодують білки, 22 - гени тРНК, 2 - рРНК (по одному гену для 12S і 16S рРНК). Інші багатоклітинні тварини мають схожий набір мітохондріальних генів, хоча деякі гени можуть іноді бути відсутнім. Генний склад мтДНК різних видів рослин, грибів і особливо протистов різниться більш значно.

Особливості мітохондріальної ДНК.

Кодують послідовності (кодони) мітохондріального геному мають деякі відмінності від кодують послідовностей універсальної ядерної ДНК.

Так, кодон AUA кодує в мітохондріальному геномі метіонін (замість изолейцина в ядерній ДНК), кодони AGA і AGG - термінаторние кодони (в ядерній ДНК кодують аргінін), кодон UGA в мітохондріальному геномі кодує триптофан. Якщо говорити точніше, то мова йде не про мітохондріальної ДНК, а про мРНК, яка списується (транскрибується) з цієї ДНК перед початком синтезу білка. Буква U в позначенні кодону позначає уридин, який при транскрипції гена в РНК замінює тимін. Кількість генів тРНК (22 гена) менше, ніж в ядерному геномі з його 32 генами тРНК. У людському мітохондріальному геномі інформація настільки сконцентрована, що в послідовності кодують мРНК, як правило, частково видалені нуклеотиди, відповідні 3'-кінцевим термінаторним кодонам.

Крім вивчення для побудови різних філогенетичних теорій, вивчення мітохондріального геному - основний інструмент при проведенні ідентифікації. Можливість ідентифікації пов'язана з існуючими в мітохондріальному геномі людини груповими і навіть індивідуальними відмінностями.

Питання для самоконтролю

1. У чому полягає проблема виникнення нових генів і їх подальшої еволюції?

2. Назвати і охарактеризувати основні тенденції в еволюції генів.

3. Що свідчить теорія нейтральності (М. Кімура)?

4. Основні положення назвати «недарвиновские еволюції».

5. Як оцінюють швидкості еволюції генів і білків?

6. На чому заснована концепція молекулярного годинника і її значення?

6. Як і чому использут мітохондріальну ДНК в еволюційних дослідженнях?

8. Як будують филогенетические древа на основі "молекулярних годин"?

 Тема 6. Генетичні механізми еволюції |  Тема 8. Процеси видоутворення


 Тема №4. Фактори еволюції. |  Тема №11. Розвиток життя на Землі. |  Тема №1. Історія розвитку еволюційного вчення |  Тема №2. Еволюційне вчення Дарвіна |  Тема №3 Синтетична теорія еволюції |  Тема №4. Фактори еволюції. |  Тема №5. Генетика популяцій. |  Тема №9. Макроеволюція: закономірності, механізми. |  Тема № 10. Головні напрямки еволюції |  Тема №11. Розвиток життя на Землі |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати