ЕВОЛЮЦІЯ ГЕНІВ
В історичному плані питання про еволюцію генів є найважливішим, тому що еволюція генів пов'язана з витоками життя взагалі і її вдосконаленням зокрема. Оскільки виявлена початкова роль у походженні життя РНК, то припускають, що початок еволюції генів датується 3,5-3,8 млрд років тому, коли сформувалися перші молекули РНК, які якимось чином детермінували синтез білків, т. Е. Були першими хранителями генетичної інформації. Однак, коли виявилася необхідність в підвищенні ефективності синтезу білків, здатність кодування генетичної інформації перейшла до ДНК, яка стала головним хранителем генетичної інформації. Що стосується РНК, то вона виявилася між ДНК і білків, ставши «переносником» інформації. Звичайно, ця гіпотеза не має доказів. Проте багато хто вважає, що поява ДНК пов'язано з ускладненням структури клітин і, отже, необхідністю кодування великої кількості інформації в порівнянні з РНК. Іншими словами, з початком участі ДНК в зберіганні генетичної інформації став розвиватися генетичної код.
Останнім часом велика увага придбала гіпотеза, відповідно до якої джерелом нових генів є рекомбінація Ексон, а також транспозони, що надходять в геноми організмів.
Особливий інтерес в еволюційному плані являє ДНК, що не транскрибується (егоїстична ДНК). Здавалося, повинні бути якісь фактори контрселекціі, які забезпечують підтримку цієї ДНК в клітинах. Тим часом такі чинники невідомі. Проте дуже популярно припущення, що егоїстична ДНК теж є джерелом утворення нових генів.
В обговоренні напрямки еволюції геномів відомо два пояснення. Одні вчені припускають, що збільшення геномів клітин
в процесі еволюції організмів йшло шляхом включення в ядерні структури додаткових копій генів, в той час як дру- Гії вважають, що в еволюції йшла Дуплікація вже утворених генів з наступною їх дивергенції. Докази включення генів в геноми відсутні, тоді як припущення про дуплікації і дивергенції генів має суттєві обґрунтування, причому ці обгрунтування виходять з даних про те, що численні сімейства білків кодуються наборами родинних генів.
Встановлено, наприклад, що в кодуванні яєчного альбуміну курчат бере участь кілька генів. Лейкоцитарний інтерферон людини кодується дев'ятьма неалельних генами, а δ-Кристаллин курчат - двома генами. Білок актин у комах і морських їжаків контролюється теж кількома генами, причому для кожного актину в різних скорочувальних клітинах існує свій ген. Білки хоріона контролюються теж кількома генами, причому об'єднаними в складний кластер. Ідентифіковано кілька генів, що кодують родопсину, що забезпечує сприйняття різних кольорів. Нарешті, імуноглобуліни також кодуються багатьма генами, наприклад у мишей - трьома генами. Відомі й інші приклади. Тому можна сказати, що синтез лише кількох білків контролюється одиночними генами. Наприклад, одним геном кодується синтез інсуліну людини і курей. На підтвердження припущення про дуплікації і дивергенції генів і, отже, про механізми збільшення геномів найбільш показовими є дані про еволюцію мультісемейства генів, що кодують гемоглобін.
У морських черв'яків, деяких комах і риб розміри глобіновой молекули, що переносить кисень, складають всього лише 150 амінокислотних залишків. У людини кожна молекула гемоглобіну складається з двох аполіпептідних ланцюгів і двох α-поліпептидних ланцюгів. Синтез гемоглобинов кодується двома незчеплених кластерами генів. Кластер α-глобінових генів локалізовано на 16-й хромосомі і містить два ембріональних, а також два майже ідентичних фетальних глобінових гена. Другий кластер, розташований на хромосомі 11, кодує β-глобіну. Він складається з β-глобинового гена, одного ембріонального β-гена, двох фетальних генів, а також гена β-глобіну.
Виходячи з відомостей про генетичному контролі глобинов і даних секвенування глобінових генів припускають, що найперша Дуплікація гена, контролюючого синтез білка, що є предшествен-
ніком гемоглобіну, сталася 1 млрд років тому, давши початок парі генів. Один ген з цієї пари в ході еволюції став геном, контролюючим синтез міоглобіну, інший розвинувся в ген, що контролює синтез гемоглобіну. В подальшому (близько 500 млн років тому) ген гемоглобіну знову піддався дуплікації, в результаті чого виникли гени, які контролюють синтез гемоглобінових ланцюгів α і β. Через деякий час подальшої дуплікації піддався ген β-ланцюга, що дало початок гену гемоглобіну, синтезованого тільки в ембріональному періоді. Далі ген ембріонального гемоглобіну піддався теж дуплікації, що дало початок вже гемоглобіну ε і γ. Ще одна Дуплікація гена β-ланцюга дала ген, який кодує синтез β-глобіну. Таким чином, в результаті серії тандемних дуплікацій вихідний глобінових ген став на одній зі стадій розвитку кластерами генів α- і β-глобинов.
Еволюція генів прискорюється транспозіруемимі елементами, які мають здатність нарощувати геноми. Нарешті, збільшення геномів сприяє генетична рекомбінація.
Один з принципових питань пов'язаний з пізнанням механізмів, покликаних унеможливлювати гени від дуплікації в результаті транс- кріпціонной активації генів- «сусідів». Останнім часом на прикладі D. melanogaster показано існування прикордонних сегментів (послідовностей) ДНК, функціонально ізолюючих сусідні гени. Довжина послідовностей-ізоляторів становить близько 340 пар основ. Не виключено, що такі послідовності існують і в інших організмів.
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ
1. На чому грунтуються уявлення про те, що генетичним матеріалом є нуклеїнові кислоти? Яке значення в переліку доказів генетичної ролі ДНК генної інженерії?
2. Чи існує зв'язок між розмірами генома (в кількості нуклеотидних пар) і видовою приналежністю організму? Наведіть приклади в обгрунтування вашої точки зору.
3. Що ви знаєте про шляхи збільшення генома клітин в процесі розвитку організмів від нижчих форм до вищих?
4. Визначте в сантиметрах загальну довжину ДНК в клітинах людини.
5. ДНК стабільна при рН 11, але РНК деградує до нуклеотидів при лужної реакції. Використовуючи підручники з біохімії, поясніть причину цього явища.
6. Якщо субодиниці β і β 'РНК-полімерази складають 0,005 частки від маси загального білка в клітинах Е. coli, то скільки буде в клітці молекул РНК-полімерази за умови, що кожна субодиниця β і β' представляє цілісну молекулу цього ферменту?
7. Чому сечовина денатурує РНК?
8. Склад підстав (фракція Г + Ц) двухцепочечной молекули ДНК відбивається на показниках плавучої щільності в хлориде цезію і температури плавлення (Тп), при якій половина молекул «плавиться» на окремі ланцюги. Було знайдено, що плавуча щільність дорівнює 1,660 + (0,098 χ фракція Г + Ц), фракція Г + Ц = 2,44 (Тп - 69,3), причому Тп визначена в стандартному сольовому розчині. Плавуча щільність ДНК щури становить 1,702, D. теlanogaster - 1,698 і дріжджів - 1,699. Визначте фракцію Г + Ц і температуру плавлення ДНК для кожного виду.
9. Яке значення мітохондріальної ДНК людини?
10. Що являють собою транспозіруемие генетичні елементи? Як їх класифікують?
11. Що являють собою плазміди?
12. Що являють собою повторювані послідовності ДНК і як часто вони повторюються в геномі людини?
13. У чому полягає напівконсервативний спосіб реплікації ДНК і яке біологічне значення такого способу реплікації?
14. Яка роль ферментів в реплікації ДНК?
15. Чи є різниця між реплікацією ДНК і репликацией хромосом?
16. Що таке нуклеосома і які її розміри? Яка роль білків в упаковці ДНК в хромосоми?
17. Обчисліть число нуклеотидних пар в 1 мегадальтоне двухцепочечной ДНК.
18. Як ви думаєте, скільки генів є в одній клітці людини за умови, що довжина одного гена становить близько 900 пар нуклеотидів?
19. За даними кислотного гідролізу, препарат ДНК, виділеної з клітин мертвонародженого плоду людини, характеризувався наступним складом (у%): аденін - 25, тимін - 32, гуанін - 22, цитозин - 21. Яким чином можна пояснити цей незвичайний результат дослідження, керуючись даними про структуру ДНК?
20. Який будуть довжина і сумарна маса ДНК, якщо в ній об'єднати молекули ДНК з усіх клітин новонародженої дитини, організм якого складається з 2,5 χ 1012 клітин?
21. Що являють собою фрагменти Окадзакі і яка їхня роль в реплікації ДНК?
22. Чи можете ви назвати експериментальні дані, що підтверджують антипаралельну орієнтацію ланцюгів в молекулі ДНК?
23. Після денатурації ДНК ренатуріровалі, дозволивши регібрідізацію ланцюгів до 1% їх послідовностей. Потім цю ДНК піддали обробці нуклеазами 1 до повного перетравлення молекул, після чого її «розігнали» шляхом електрофорезу в агарозному гелі. Які результати електрофорезу?
24. Яким чином можна визначити генетичну локалізацію / ^ / - послідовностей в геномі Е. сої?
25. У чому полягають молекулярні механізми генних мутацій?
26. Опишіть механізм дії фізичних і хімічних мутагенів.
27. Чи можуть відновлюватися пошкодження ДНК і за допомогою яких механізмів? Яка роль відновлювальних механізмів пошкоджень ДНК в мутагенезі?
28. Яка різниця між індукцією і репресією ферментів?
29. У чому полягає концепція оперону і яке її значення в розумінні механізмів дії генів?
30. На яких рівнях реалізації генетичної інформації здійснюється генетичний контроль експресії генів?
31. Чим визначаються труднощі у вивченні генетичної регуляції дії генів у еукаріот?
32. Скільки типів РНК бере участь в біосинтезі білків і що відомо про нуклеотидном складі, хімічних і фізичних властивостях РНК кожного типу?
33. У науковій літературі є дані про те, що 7-метілгуанозін- 5-монофосфат пригнічує синтез білків у бесклеточной системі, яка відбувається з ретикулоцитів. Відомо також, що на 5 '-кінців багатьох молекул мРНК еукаріотів є 7-метілгуанозін. Якщо видалити цю групу з мРНК (хімічним шляхом) вірусу везикулярного стоматиту, то це не запобігає трансляцію в бесклеточной ретікулацітной системі. Чи можете ви пояснити значення цих даних?
34. Як ви розумієте механізм генетичного імпринтингу і яке його біологічне значення?