Удвоение генов
Филогенез характеризуется усложнением генома, которое проявляется в увеличении количества и разнообразия генов и, соответственно, белков. Геном кишечной палочки содержит 3,8»106 н. п. Средний белок построен примерно из 500 аминокислотных остатков; следовательно, размер среднего гена — около 1500 н. п. Таким образом, в клетке кишечной палочки ДНК хватило бы для кодирования примерно 4000 белков. Однако часть ДНК не входит в состав структурных генов, а выполняет регуляторные функции в оперонах, поэтому число разных белков в клетке кишечной палочки равно примерно 3000.
- Удвоение.
В процессе эволюции по мере усложнения организмов содержание ДНК в них увеличивается, однако нет строгой зависимости между содержанием ДНК и местом на филогенетическом древе (табл. 5.2). Более точно усложнению организмов соответствует увеличение количества и разнообразия генов и, соответственно, белков.ДНК гаплоидного набора хромосом клетки человека содержит 3,8*109 нуклеотидных пар, т. е. на три порядка больше, чем Е. coli. Такого количества ДНК хватило бы для кодирования 2,5 млн белков. В клетках человека (и других эукариот) доля ДНК, занятая структурными генами, значительно меньше, чем у прокариот. По примерным оценкам, в организме человека синтезируется около 50 000 разных белков (в 20 раз больше, чем у Е. coli). В это число не входят иммуноглобулины, разнообразие которых обеспечивается механизмами, отличающимися от синтеза всех других белков (см. гл. 20).
Усложнение генома при филогенезе достигается в результате двух процессов: удвоения генов и их независимых мутаций. В результате удвоения возникают две копии гена в одной молекуле ДНК (в одной хромосоме), т. е. в геноме образуется дополнительный локус. Многократное удвоение приводит к образованию большего количества копий. Многие гены человека в гаплоидном наборе представлены двумя или большим числом копий. В некоторых (редких) случаях число копий значительно; например, имеется до 1000 копий гистоновых генов, которые в молекуле ДНК расположены последовательно (тандемно).
При наличии двух копий гена мутации одной из них, ведущие к синтезу «неправильного» белка, не будут гибельными для клетки, поскольку другая копия обеспечит синтез «правильного» белка. Следовательно, мутантный ген не будет элиминироваться естественным отбором, и через ряд поколений в результате накопления мутаций кодируемый им мутантный белок может оказаться полезным для организма. Это означает появление нового гена. Такие родственные гены сходны по последовательности кодонов, а соответствующие белки — по последовательности аминокислот. Например, подобное семейство белков составляют миоглобин и протомеры гемоглобинов. Первичная структура миоглобина и протомеров гемоглобина сходна, но не идентична. Учитывая число различий в их первичной структуре, а также сравнивая первичные структуры гемоглобинов разных животных, можно считать, что миоглобин и протомеры гемоглобинов возникли из общего предшественника в результате удвоения генов и независимых мутаций (рис. 5.7). На это указывает также и то, что гены глобинов (3-семейства (глобины (3, 8, у, £) расположены в одной молекуле ДНК (11-я хромосома), в непосредственном соседстве друг с другом, при этом ген у представлен двумя копиями (рис. 5.8). Гены протомера а (две копии) находятся в хромосоме 16.
Основная функция всех гемоглобинов одинакова, поэтому их можно рассматривать как изобелки. Следовательно, удвоение генов и последующие независимые мутации копий — это один из механизмов образования изобелков, в том числе изоферментов. Дальнейшее накопление мутаций в родственных генах ведет к еще большей дивергенции (расхождению) свойств соответствующих белков. Например, семейство родственных белков составляет группа протеолитических ферментов, включающая трипсин, химотрипсин, эластазу, тромбин, плазмин; их называют сериновыми протеазами, поскольку они содержат в активном центре остаток серина, непосредственно участвующий в катализе. Механизм действия этих ферментов сходен, однако они различаются по субстратной специфичности и роли, которую выполняют в организме, поэтому название «изоферменты» к ним уже вряд ли применимо. Существуют и другие семейства протеаз: аспартатные, цистеиновые и металлопротеиназы (содержат в активном центре аспарагиновую кислоту, или цистеин, или ион цинка соответственно). Все семейства вместе образуют суперсемейство протеаз. Продолжающееся накопление мутаций в конечном счете приводит к тому, что гены, возникшие в результате удвоения их общего предшественника, утрачивают признаки родства, а кодируемые ими белки имеют совершенно различные первичную структуру и функцию. Этот путь и ведет к увеличению количества и разнообразия генов при филогенезе. Удвоение генов и их дивергенция путем независимых мутаций составляют механизм дихотомической эволюции генов и соответствующих белков.