Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Эволюция белков
Специализация белков
Частота допустимых мутаций

Биологическая специализация устанавливается в процессе случайных мутаций и последующего отбора. Наиболее важны мутации, возникающие в ДНК. В табл. 9.1 даны ориентировочные частоты мутаций ДНК высших организмов. В этих организмах частоты допустимых мутаций на уровне ДНК существенно не влияют на отбор белков, поскольку структурные зоны [78, 475], кодирующие белок, составляют менее 10% ДНК (разд. 4.1). Тем не менее, как было установлено, ДНК гомогенна в пределах одного вида [476, 477], что указывает на существование некоторого отбора и на уровне ДНК. Вопрос о том, определяется ли эта гомогенность малой популяцией предшественников и малым «генетическим дрейфом» (недарвиновская гипотеза, поддерживаемая «нейтралистами» [144, 478—480]) или же она отражает отбор самой приспособленной ДНК данного вида (дарвиновская гипотеза, поддерживаемая «селекционерами»), по-прежнему остается предметом дискуссии (ср. с работами [481, 482]).

Таблица 9.1 Скорость эволюции макромолекул^а

^а Все величины оценены очень приближенно и могут представлять нетипичные случаи. ДНК здесь обозначает неповторяющуюся ДНК.

Генетическое расстояние измеряется в единицах РАМ. На уровне макромолекул частоту фиксации мутаций (называемую также частотой усвоения) обычно выражают числом усвоенных точечных мутаций на кодон за 10¹⁰ лет, что численно равно процентному содержанию фиксированных точечных мутаций за 10⁸ лет. Процентное содержание фиксированных точечных мутаций (единица РАМ) является общепринятой мерой эволюционного расстояния. Величиной, обратной частоте фиксации, является «единичный эволюционный период», т. е. число лет, за которое происходит одно фиксируемое изменение кодона на 100 остатков.

Отбор нуклеотидных последовательностей осуществляется на уровне ДНК. Из-за вырожденности генетического кода только 75% всех мутаций структурной зоны ДНК влияют на последовательность белка [144, 483]. Остальные 25% образуют так называемые невыявленные мутации, при которых разные кодоны эквивалентны одной и той же аминокислоте (рис. 1.5, б). Поскольку используются все кодоны данной аминокислоты (хотя и с различной частотой [12, 13, 145]), ограничений на уровне белка не существует и частоты невыявленных мутаций должны составлять приблизительно 25% максимальных частот мутаций ДНК. Частоты мутаций информационной РНК (мРНК), кодирующей цепи гемоглобина [484, 485], составляют приблизительно четверть частот мутаций гипервариабельной нуклеотидной последовательности ДНК (табл. 9.1). Таким образом, по-видимому, она соответствует максимальным частотам невыявленных мутаций. Частота невыявленных мутаций мРНК гистона IV в три раза меньше, чем мРНК гемоглобина (табл. 9.1). Одна клетка морского ежа содержит 1200 копий активных генов гистона IV [487]; соответствующие 1200 последовательностей тРНК, по-видимому, гомологичны в пределах данного вида [486], хотя и различаются между видами. Этот факт служит еще одним свидетельством того, что отбор нуклеотидных последовательностей происходит на уровне ДНК.

Отбор на уровне белка обычно значительно более затруднителен, чем на уровне ДНК. Это следует из сравнения частот замен аминокислот гемоглобина и гистона IV с частотами невыявленных мутаций в соответствующих тРНК (табл. 9.1). Для различных белков частота замен сильно варьируется. Если сравнивать крайние случаи, гистоны IV и гипервариабельные сегменты белков, то частоты замен для них отличаются на три порядка (табл. 9.1). Такие различия свидетельствуют о том, что сохранение структуры данного белка важно для его функции в организме. Гистон IV закодирован в центральной части ДНК, и любое изменение его аминокислот может привести к катастрофическим последствиям. Эволюция гистона IV строго следует дарвиновскому пути; мутации практически не фиксируются. Напротив, гипервариабельная область рибонуклеазы, по-видимому, не имеет определенной функции [488], и изменения в ней фиксируются значительно легче. В этом случае можно предположить недарвиновский путь эволюции [489].