ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 6. Генетика багатоклітинних еукаріотів

ЕУКАРІОТИЧНІ ГЕНОМИ

Еволюційна зміна геномів

Порівняння відомих геномних послідовностей тварин приводить загалом до висновку, що ключову роль в еволюції відіграє не поява нових кодуючих послідовностей, а нові комбінації старих і поява нових регуляторних ділянок. При цьому у формуванні нових регуляторних послідовностей значну роль відіграють мобільні елементи.

Вміст мобільних елементів у геномах тварин варіює від 10 до 50 % (наприклад, курка - 9,4, собака - 35,5, миша - 40,9, людина - 45,5, опосум - 52,2 %).

Геноми ссавців дуже незначним чином відрізняються один від одного. Скажімо, для людини та миші спостерігається близько 80 % загальної гомології, при цьому ступінь гомології між екзонами є значно вищою. Навіть різниця в послідовностях білкових генів між людиною та сумчастим опосумом (Monodelphis domestica) дуже незначна - переважна більшість генів одного виду має аналогів у іншого. Головна різниця між людиною та опосумом щодо білкових генів - дуплікація частки з них, у результаті 15-20 % генів присутні в геномах двох видів у різній кількості. При цьому різні копії певного гена одного виду розрізняються між собою за кількістю нуклеотидних замін більше, ніж гомологічні гени опосума та людини, які присутні в геномах однократно. Це вказує на можливість виникнення нових генів шляхом дуплікації: нова копія гена або набуває нової функції (частіше як варіації старої), або стає зайвою. У першому випадку ген починає змінюватись під дією відбору, у другому - швидко деградує, накопичує нейтральні мутації та стає псевдогеном.

Але загалом за 180 млн років в екзонах сумчастих і плацентарних виникло дуже мало варіацій. Напевно, еволюція вищих еукаріотів головним чином відбувається за рахунок змін у регуляторних ділянках геному, а також рекомбінації екзонів і переміщення генів у активні / неактивні зони хромосом унаслідок хромосомних аберацій (див. нижче обговорення ефекту положення гена).

Один із підходів до ідентифікації регуляторних елементів - виявлення шляхом порівняльного аналізу гомологічних для різних геномів, консервативних ділянок серед некодуючих послідовностей - CNE (conserved non-coding elements). Такий порівняльний аналіз опосума, курки та плацентарних дозволив виявити CNE трьох типів: спільні для птахів і ссавців; спільні для всіх плацентарних, але також частково присутні у птахів і опосума; унікальні для плацентарних. Загальний розмір другої групи в геномі людини - 74 млн пар основ (окремі елементи мають розмір від десятків до сотень пар), з яких 20 % є унікальними для плацентарних (серед кодучих ділянок частка таких унікальних послідовностей становить 1 %). Отже, основна частина еволюційних змін плацентарних пов'язана з появою нових регуляторних ділянок. Серед цих ділянок виявилися, зокрема, енхансери та гени мікро-РНК. Велику кількість CNE знайдено в оточенні ключових регуляторних генів, які визначають шляхи індивідуального розвитку

й диференціації клітин, - при тому, що самі ці гени відрізняються підвищеним консерватизмом. Отже, основні відмінності в будові плацентарних зумовлені додаванням нових регуляторних елементів до генів, що регулюють онтогенез.

Найцікавіше, що серед унікальних для плацентарних CNE принаймні 16 % є ділянками, які походять від мобільних елементів усіх чотирьох груп. Вважається, що ця оцінка є заниженою: значна кількість колишніх мобільних елементів просто значно змінилась за послідовністю після того, як ці елементи стали нерухомими й набули регуляторних функцій.

Висновок про виникнення еволюційних змін шляхом корекції регуляторних систем підтверджується нещодавнім аналізом геному актинії Nematostella (найпримітивніший вид серед справжніх багатоклітинних - Eumetazoa). Геном містить 450 млн пар основ, 18 тис. генів (приблизно стільки ж, скільки в людини), частка мобільних елементів становить 25 %. Останній спільний предок актинії, хребетних і комах жив приблизно 700 млн років тому. Порівняльний аналіз вказує, що ссавці успадкували близько 2/3 своїх генів від цього предка, актинії - майже стільки ж, комахи - 50 %. Загалом геном людини більше схожий (і за набором генів, і за порядком розташування їх на хромосомах) на геном актинії, ніж на геном дрозофіли.

Близько 80 % генів цього спільного предка Eumetazoa мають аналоги поза межами тваринного царства - серед одноклітинних. Серед решти 20 % генів приблизно чверть містять блоки (екзони або групи екзонів), що зустрічаються в одноклітинних, але в інших комбінаціях. Отже, один із основних шляхів виникнення нових генів - це перекомбінування існуючих екзонів у новому порядку. Звичайно, ці нові гени багатоклітинних відповідають за нові функції: регуляцію онтогенезу, міжклітинні взаємодії, передачу міжклітинних сигналів, регуляцію клітинного циклу тощо.

Таким чином, уже перші представники тварин мали практично повний набір генів, який дозволив шляхом їхньої перекомбінації та тонкої підгонки регуляторних систем створити все розмаїття складних багатоклітинних організмів.