Еукаріотичні види містять безліч мультігенних сімейств, таких як структурні білки, які беруть участь в утворенні і сегрегації хромосом, білки ядерного матриксу, все функціонально важливі РНК, які беруть участь в генному сплайсинге, процесингу РНК і механізм трансляції та багато інших (Dover and Flavell, 1984). Число копій генів в різних родинах може сильно варіювати. Наприклад: (В.Ратнер і ін. 1985)
У десятках досліджених мультігенних сімейств спостерігається парадоксальна на перший погляд картина: схожість послідовностей генів з будь-якого певного сімейства у одного виду набагато вище, ніж між членами того ж сімейства у різних видів. Це явище отримало назву узгодженої еволюції послідовностей в мультігенних родинах. Найбільш добре феномен узгодженої еволюції був показаний на прикладі генних сімейств імунної системи, рибосомних РНК, малих ядерних РНК, гістонів і глобинов. Подібне явище спостерігалося також в десятках інших мультігенних сімейств, незалежно від їх розмірів, функції та хромосомної локалізації (Dover, 1986).
Проблему узгодженої еволюції повторюванихпослідовностей легко можна усвідомити з наступного прикладу. У двох близькоспоріднених видів шпорцевой жаби (Xenopus laevis і Xenopus muelleri) гени рРНК тандемно повторені близько 500 раз всередині хромосоми і кожен повтор містить гени 18S- і 28S-РНК і спейсери. Міжвидове порівняння показує, що гени 18S- і 28S-РНК в повторах ідентичні, тоді як спейсери сильно дівергіровалі. Це говорить про функціональну (і селективної) значущості генів і меншою значимістю спейсеров. Однак всередині кожного виду спейсери мають майже однакову структуру. Яким же чином більшість генів сімейства в більшості особин досягають такого високого рівня ідентичності, незважаючи на те, що вони постійно піддаються незалежному мутаційного процесу?
Для пояснення внутрішньовидової гомогенності повторів можна залучити кілька механізмів. Механізованому відбору в цьому випадку сумнівний, а ось три інших - нерівний кросинговер, генна конверсія і прослизає реплікація - цілком реалістичні і мають достатню експериментальне обгрунтування.
Так, послідовна серія мітотичних нерівних кроссинговеров між сестринськими хроматидами цілком може поширити будь-якої ген по всьому сімейству: Апріорі зрозуміло, що подібна "кроссоверним" фіксація відбудеться тільки в тому випадку, якщо ймовірність нерівного кросинговеру, що приводить до дуплікації одного гена (і реципрокною делеции іншого), перевищує ймовірність мутіованія. Вперше це було показано шляхом моделювання паралельної еволюції на ЕОМ методом Монте-Карло (Smith, 1976). Неважко помітити, що процес формально еквівалентний випадкової фіксації одного з нейтральних алелей в популяції кінцевого розміру, тому для його опису можна використовувати апаратом теорії марковських, процесів, зокрема дифузійним наближенням (Ohta, 1982), що дозволяє оцінити середню швидкість кроссоверним фіксації і ряд інших параметрів.
Однак процес чисто кроссоверним фіксації не враховує мутационную дивергенцію сімейств, мейотіческіх рекомбінацію, випадковий дрейф гамет і різні режими відбору. Ясно, наприклад, що в будь-якому ряді тандемних повторів чим ближче розташовані повтори, тим пізніше вони походять від предкового повтору шляхом нерівного кросинговеру і, отже, тим менше встигли накопичити мутаційних відмінностей (Kimura, Ohta, 1979).
Г.Доувер (Dover, 1986) на основі моделей проаналізував множинні спейсери в кластерах генів рРНК для групи видів дрозофіли melanogaster. Наприклад, кластер рРНК налічує близько 200 копій. Нехай гомогенізація йде тільки за рахунок нерівного кросинговеру між сестринськими хроматидами, а кількість повторів коливається в межах 10% від середнього. Тоді для гомогенізації одного кластера потрібно 10 3 -10 4 актів нерівного кросинговеру. Якщо покласти середню швидкість нерівного кросинговеру дорівнює 3 * 10 -4 на генерацію, то на внутрішньогеномних гомогенизацию піде не менше 10 7 генерацій. Середній час фіксації відповідної хромосоми в популяції шляхом випадкового дрейфу одно 4N генерацій (N - чисельність популяції). Якщо N e 10 7. то тривалість сумарною фіксації визначається преімушественно темпами гомогенізації кластера, тобто дорівнює
10 7 поколінь, або
10 6 років (якщо вважати, що у дрозофіли за рік змінюється 10 поколінь). Drosophila melanogaster і Drosophila simulans дівергіровалі приблизно 1 млн. Років тому, тому процеси нерівного кросинговеру і дрейфу слід вважати недостатніми. Звичайно, фіксацію може прискорити спрямований відбір на користь окремого повтору, але в разі не кодують спейсеров ця гіпотеза нереалістична. Звідси Доувер зробив висновок, що крім відбору, дрейфу і нерівного кросинговеру повинен існувати ще один процес, - так званий молекулярний драйв (molecular drive) - процес, за допомогою якого мутації поширюються як всередині генома серед генів мультігенних сімейства (гомогенізація), так і всередині популяції серед особин, її складових (фіксація). Молекулярний драйв, по суті, це послідовність різних подій, заснованих на різних механізмах нереціпрокного перенесення ДНК всередині однієї хромосоми і між хромосомами: генної конверсії, транспозиція, прослизає реплікації і РНК - опосередкованому перенесення.
Всі ці механізми різними шляхами можуть викликати втрату або придбання нового варіанту гена протягом життя індивіда, приводячи до неменделевская Сегрегаційний співвідношенням. Постійні втрати або придбання такого роду можуть призвести до випадкового поширенню одного з варіантів гена як всередині сімейства, так і всередині популяції. Оскільки швидкість, з якою нова мутантна копія гена може утворитися у окремої особини, набагато нижче (10 -2 - 10 -5), ніж швидкість статевої рандомізації хромосом між поколіннями, то середнє число копій мутантного гена у окремої особини в популяції може варіювати від нуля до повної гомогенізації. Імовірність і час гомогенізації будуть залежати від розміру популяції, генного сімейства і швидкостей нереціпрокного обміну, причому вони можуть різко змінитися, якщо існує якась "вибірковість" механізму перенесення "на користь" певного генного варіанту.
Аргументуючи свою теорію, Г.Доувер розглядає безліч прикладів еволюції мультігенних сімейств, котрих найбільш цікавим з яких є випадок компенсаторних мутацій в генах рибосомних РНК.
Імовірність фіксації другий мутації, що компенсує дефект першої, в разі одного локусу дуже мала. Здавалося б, що ж тоді говорити про мультігенних сімействі - адже якщо мутація виникає в одному з генів сімейства і потім компенсується, то як нова комбінація стає переважаючою? Виходячи з теорії молекулярного драйву був запропонований наступний "сценарій" еволюції в родинах рРНК (Hancock et al, 1988).
Спочатку мутантний ген з одиночної некомпенсованою заміною "під прикриттям" нормальних членів мультігенних сімейства може поширитися по сімейству шляхом, наприклад, повторених актів нерівного кросинговеру. Загальна кількість копій гена з одиночної заміною в популяції різко зростає до певної межі. В результаті даний варіант стає набагато больей "мішенню" для подальших мутацій, що збільшує на багато порядків ймовірність виникнення в одній з цих копій вторинної компенсаторною заміни. Наприклад, якщо число копій мутантного гена у кожної особини стає рівним 100, а популяція складається з 10000, то ймовірність компенсаторною мутації (як і будь-який інший) зростає в 10 6 разів.
При розгляді даного сценарію виникає наступне важливе питання: на якій стадії починає діяти природний відбір? На думку Г.Доувера, тут важливо врахувати ті факти, що, по-перше, сайти, в яких виникають компенсаторні мутації, важливі лише для збереження каркаса вторинної структури і не залучені в будь-які інші взаємодії, і, по-друге, існують докази того, що стебла, що формують вторинну структуру, можуть залишатися стабільними навіть при наявності локальних порушень спарювання. Тим самим забезпечується необхідна "гнучкість" системи. Тому вид може існувати, маючи певну кількість неспаріваній в рРНК, як би в очікуванні компенсаторною мутації. Можна припускати, що більшість генів рРНК у будь-якої особи кодують рРНК, близькі за кількістю неспаріваній до деякого межі життєздатності, при перевищенні якого і починає діяти природний відбір. Іншими словами, компенсаторні мутації можна розглядати як своєрідний механізм репарації порушень вторинної структури, що забезпечує збереження функціонально-активних РНК (Hancock et al, 1988).