Молекулярный механизм эволюции

Молекулярный механизм эволюции (Р.Нудельман) | ЛАИ

Молекулярный механизм эволюции

Открытие, о котором я хочу рассказать, стало достоянием научной общественности, когда в журнале “Nature” была опубликована статья под названием “HSP-90 как пособник морфологической эволюции”.

Непосвященным людям это название, конечно, не говорит ничего, но специалисты тотчас распознали под этой сугубо академической шапкой сенсационное содержание.

Впрочем, точнее всего сформулировали сущность нового открытия сами его авторы – американские исследовательницы Сюзанна Резерфорд и Сюзэн Лундквист, которые открыли раздел “Обсуждение результатов” знаменательной фразой: “Мы впервые, насколько нам известно, нашли свидетельства существования специального молекулярного механизма, который способствует процессу эволюционных изменений в ответ на изменения окружающих условий”. Еще более просто то же самое было сказано в комментарии британской радиостанции “Би-би-си”: “Открыт молекулярный механизм эволюции!”

Даже самый беглый взгляд на эволюцию биологических видов убеждает в том, что она ускоряется в условиях стресса, то есть ситуации, возникающей в результате резкого и неблагоприятного изменения внешних условий. Это хорошо известно, например, по отношению к бактериям.

Попадая в ситуацию физиологического стресса, вызванную, например, голоданием или появлением в окружающей среде антибиотиков, они очень быстро отвечают на эту угрозу появлением множества новых мутантных разновидностей, среди которых обнаруживаются особи, успешно выживающие в новых условиях… Трудно представить себе, что именно в этих условиях мутации, которые и ведут в конечном счете к появлению новых разновидностей бактерий, почему-то резко учащаются, ведь мутации – явления случайные, не приурочены же они именно к нужному моменту! Но еще труднее представить, что бактерии каким-то чудом “целенаправленно отвечают” на возникшую потребность приспособиться и выжить. Несомненно, должен существовать какой-то скрытый молекулярный механизм, который сам собою включается в условиях стресса, и – что увеличивает частоту мутаций? Каким образом? Загадка.

а почему,собственно, трудно представить реакцию бактерий на изменение воздействия со стороны внешней среды ускорением процесса мутаций?.. Это – вполне закономерный признак гибкости реагирования, присущий живой природе в целом…

Сегодня многие палеоантропологи считают, что аналогичным образом произошел один из важнейших этапов в эволюции дальних предшественников человека – от так называемых австралопитеков к собственно гоминидам.

Те из австралопитеков, которые от чисто растительного рациона перешли к мясной пище, должны были выходить из лесов в открытые африканские саванны, чтобы найти себе там такую пищу… и в ходе таких поисков порой забредали в изолированные от окружающего мира долины или ущелья.

Там, оказавшись в трудных условиях, угрожавших их выживанию, они, по мнению палеоантропологов, эволюционировали (адаптировались) быстрее, чем те группы австралопитеков, которые оставались в привычных условиях леса и не нуждались в такой адаптации.

Знаменитый “Кембрийский взрыв” свидетельствует, что подобные явления могут происходить и в более громадных масштабах.

Напомним, что “Кембрийским взрывом” называется в биологии краткий (около миллиона лет) период быстрого (в геологических масштабах времени, разумеется) появления огромного числа новых биологических видов, отличавшихся радикально измененными телесными формами и структурами, например, именно тогда впервые возникли позвоночные, к которым принадлежит и человек… Между прочим, не менее знаменитая катастрофа – исчезновение динозавров, произошедшая около 65 миллионов лет назад, скорее всего, в результате столкновения Земли с огромным метеоритом, – тоже сопровождалось ускоренным появлением множества новых видов (например, нынешних млекопитающих), причем, как показал американский исследователь Д.Яблонский, именно в ближайших окрестностях места падения метеорита, в районе нынешнего Мексиканского залива, новые виды появились раньше всего, уже через миллион лет после катастрофы, а ведь именно там стресс должен был быть сильнее всего.

Открытие Сюзанны Резерфорд и Сюзэн Лундквист… как раз и наметило контуры возможного ответа на все эти вопросы.

Эти исследовательницы выбрали в качестве объекта изучения некий специфический белок, функции которого в организме связаны, с одной стороны, со стрессом, а с другой – с развитием и изменением клеток.

Эта его двойственная роль, по мнению исследовательниц, должна была позволить проследить связь между стрессом и клеточными (а в конечном счете – и организменными) изменениями на самом глубоком, молекулярном уровне. Белок этот называется HSP-90, что и обусловило название статьи в “Nature”.

Он относится к широкой и важной группе так называемых белков теплового шока, назначение которых, как видно из их определения, состоит в защите клеточных белков от теплового воздействия, то есть от “шока”, который может быть вызван резким повышением температуры окружающей среды.

Исследования последних лет показали, что те же белки теплового шока способны защищать клеточные белки и от многих других опасностей и стрессов, например кислородного голодания, химических повреждений и даже от атак и некоторых патогенов.

Более того, проникая в клетку, они защищают ее белки даже в отсутствие стресса, когда эти белковые молекулы только образуются внутри клетки, идо тех пор, пока они не свернутся надлежащим образом.

Таким образом, белки теплового шока впору назвать просто “защитными”.

Среди всех этих общезащитных белков HSP-90 выделяется одной уникальной особенностью. Он не занимается защитой образующихся белковых молекул. Подавляющее большинство его “подопечных” белков относится к классу так называемых передатчиков сигнала (signal transducers).

Типичным примером таких передатчиков являются рецепторы клетки. Рецепторы – это белки, назначение которых состоит в распознавании специфических молекул, плавающих в межклеточном пространстве, и соединении с теми из них, которые определенным образом “соответствуют” данному рецептору.

Белок-рецептор имеет удлиненную форму: его “головка”, как грибок, торчит над поверхностью клетки, “тельце” пронизывает ее клеточную мембрану, а “хвост” находится внутри клетки.

Рецепторы – “передатчики сигналов” рассчитаны на соединение с теми специфическими молекулами (гормонами, феромонами, нейротрансмиттерами, факторамироста и т.д.), которые циркулируют в межклеточной среде, перенося химические сигналы от одних клеток к другим.

Как это происходит? Когда сигнальная молекула садится на торчащую из клетки “чашечку” рецептора, это вызывает в рецепторе изменение его формы – как говорят, “конформационное изменение”. Такое изменение продвигается вдоль тела рецептора и достигает его “хвоста”, находящегося внутри клетки.

Окружающие этот “хвост” специальные белки, киназы, под воздействием такого конформационного изменения понуждаются вступать в специфические биохимические реакции, что влечет за собой целый каскад последовательных химических превращений, достигающих в конечном счете наследственных молекул, укрытых в ядре клетки.

Это и есть процесс передачи “сигнала” из окружающей клетку среды к ее наследственным молекулам. Упомянутый каскад внутриклеточных реакций, вызванный таким сигналом, может, например, привести к тому, что на какой-то ген наследственной молекулы сядет молекула белка, блокирующая или, наоборот, усиливающая его работу.

А это уже, в свою очередь, влияет на темп роста клетки, характер метаболизма в ней, процессе деления или даже ее специализацию в ходе эмбрионального развития.

Оказывается, сигнальные рецепторы очень неустойчивы.

Грубо говоря, та цепь звеньев-аминокислот, которая составляет их “хвост”, “тельце” и наружную “чашечку”, имеет тенденцию менять свою форму под воздействием даже небольших изменений, например, в результате мельчайших изменений в составе этой цепи вроде случайной (в результате “точечной” мутации) замены одной аминокислоты на другую. Понятно, что такое изменение формы “чашечки” влияет на ее способность узнавать нужную “сигнальную молекулу” и соединяться с ней. В результате сигнал либо вообще не поступает в клетку, либо поступает “искаженным” и вызывает иные последствия в наследственных молекулах. Развитие клетки (а порой и организма в целом) может пойти по “аномальному” пути. Для того чтобы этого не произошло, природа и “придумала” защитный белок HSP-90. Вторая его функция (кроме защиты от теплового шока) состоит как раз в том, чтобы удерживать рецепторы – передатчики сигналов в той конформации, которая необходима для нормального приема и передачи сигнала. Упрощенно действие этого белка можно представить себе как чисто механическое (на самом деле, оно химическое)удерживание “чашечки” рецептора в нужной форме до момента прихода сигнальной молекулы.

…при любом – чисто химическом или тепловом – уменьшении числа молекул HSP-90, обслуживающих сигнальные рецепторы, происходит то или иное нарушение нормальных сигнальных путей.

…вероятная картина молекулярного механизма ускоренной эволюции под стрессом: стресс отвлекает часть молекул HSP-90 от задачи стабилизации сигнальных рецепторов, это позволяет “проявиться” сразу всем тем скрытым мутациям, которые накоплены в сигнальных рецепторах за предшествующие поколения, а проявление сразу большого числа ранее накопленных мутаций как раз и обеспечивает то ускоренное возникновение многочисленных разновидностей, которое никак нельзя было объяснить одновременным появлением всего этого множества мутаций как раз в процессе стресса. Иными словами, загадка ускоренной эволюции под стрессом решалась бы именно тем, что эта быстрота обусловлена неодновременным появлением множества новых мутаций, а одновременным проявлением множества мутаций, накопленных ранее, но до поры до времени (стресса) скрытых. …последующие эксперименты Резерфорд и Лундквист подтвердили именно эту… возможность.

Попутно выявилось еще одно интереснейшее обстоятельство. Оказалось, что если скрещивать дефектных мушек [дрозофил, на которых и проводились исследования] до шестого-седьмого поколения, то проявление некоторых дефектов перестает зависеть от наличия или отсутствия HSP-90.

Как это понимать? Резерфорд и Лундквист объяснили это тем, что существует, видимо, какой-то порог проявления скрытых мутаций: если их число в молекуле рецептора ниже определенного, “порогового” значения, они могут влиять на форму рецептора только при полном отсутствии HSP-90, но если их число выше этого порога, они проявляются (то есть влияют на рецептор и меняют сигнальные пути, что приводит к появлению дефектных эмбрионов) независимо от стабилизирующего действия защитного белка. Грубо говоря, способность скрытых мутаций влиять на аминокислотную цепь рецептора становится больше способности HSP-90 удерживать эту цепь от таких влияний. Иначе говоря, с увеличением числа поколений происходит накопление скрытых мутаций, ведущее в конце концов к их проявлению даже вопреки действию HSP-90… Подставьте на место слова “дефект” более широкое словосочетание “новый признак” (ведь появление дефекта есть частный случай появления нового признака),и вся описанная выше картина тотчас окажется картиной эволюции в естественных условиях.

Подсчеты показывают, что достаточно понизить этот порог даже на пару десятков процентов, чтобы количество особей с “надпороговым” числом скрытых мутаций оказалось вполне заметным (несколько процентов от общего числа особей в коллективе).

Потомство этих особей обретет новый признак, станет новой разновидностью внутри данного вида. Дальше уже вступит в действие естественный отбор.

Если этот новый признак будет давать “дефектным” особям хотя бы небольшое преимущество в адаптации, естественный отбор начнет увеличивать частоту его появления в коллективе (иными словами, потомство этих особей будет выживать лучше, чем потомство других, и их доля в коллективе будет неуклонно возрастать).

По мере продолжения их скрещиваний друг с другом среди этих особей будут все чаще появляться те, у которых число скрытых мутаций больше порога даже в присутствии HSP-90.

Если теперь стрессовые условия кончатся, настанут “спокойные времена”, HSP-90 вернется к исполнению своих обязанностей по надзору за сигнальными рецепторами, и порог проявления скрытых мутаций поднимется опять до своего нормального значения, это уже не сможет изменить ситуацию: в коллективе уже накопилось достаточно особей, способных преодолеть и этот порог. Новый признак будет сохраняться и далее.

По мнению Резерфорд и Лундквист, проявление скрытых мутаций, ведущее к устойчивым эволюционным изменениям, является, видимо, главным или, во всяком случае, одним из важнейших молекулярных механизмов эволюции.

Способы этого проявления, возможно, могут быть различны, на это как будто указывают исследования некоторых других экспериментаторов, но среди этих способов проявление скрытых генетических вариаций посредством нарушения функций HSP-90 явно занимает особое место, выделяясь как разнообразием, так и масштабом проявляющихся телесных изменений.

Дает ли это основание считать этот конкретный способ проявления скрытых мутаций “главным” молекулярным механизмом эволюции – другой вопрос.

“ЗНАНИЕ-СИЛА” N 4, 2000г.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://lah.ru/000404/

4 – 4.1

Молекулярный механизм эволюции

Назад с ссылкиВыход

Информация о наследственности живых существ приписывается гигантским цепочкам молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).

Язык, в котором заключена это информация, открыт современной молекулярной биологией, так что сегодня ДНК, как говорится, можно “считывать” – не так, как в книге, конечно, но специальный ген может быть расшифрован в лабораторных условиях за сравнительно короткий период времени (в течение нескольких недель или месяцев).

Тем самым становится возможным исследовать эволюционные механизмы на молекулярном уровне. Нам хотелось бы сделать наглядной информацию о наследственности и затем заняться рассмотрением возможностей изменения целенаправленного или случайного.

Основные элементы ДНК называются нуклеотидами. Имеются четыре различные формы и, по крайней мере, две из них комплементарны друг другу. Это означает, что они подходят один к другому как ключ к замку.

Три следующие друг за другом пары можно сравнить со словом (как с единицей языкового текста), равным по значению со специальной аминокислотой. Такая группа, состоящая из трех элементов, называется триплет или кодон. Различные слова составляют предложение, наполненное смыслом целое.

Точно так же, если “считывать информацию”, заключенную в клетке, то можно найти определенный смысл и в последовательности расположения триплетов, будь их несколько десятков или несколько сотен (см. рис. 4.1 и 4.2).

При этом последовательность нуклеотидов ДНК переводятся при участии специальных промежуточных молекул (так называемых транспортных или т-РНК) в цепочку аминокислот (протеины).

Этот перевод (трансляция) происходит в очень сложных “машинах”, производящих “сборку” молекул белка в рибосомах. Этот механизм еще до конца не понят и для нашего изучения не имеет далее большого значения. Как изложено в главе 5, не существует реалистического представления о том, как подобный механизм мог возникнуть случайно.

Наряду с цепочками ДНК, кодирующими протеин, имеются еще цепочки, не принимающие участия в биосинтезе, но исполняющие функцию регуляции, и цепочки, функции которых пока еще неизвестны.

Последовательность нескольких триплетов, которые в результате трансляции образуют протеин, называют геном. В клетке бактерий их насчитывается до 1000, в клетке млекопитающих от 100 000 до миллиона (точное число пока еще неизвестно).

Гены содержат, в числе прочего, информацию о строении ферментов – белков, отвечающих за расщепление с получением энергии высококалорийных (богатых энергией) соединений, таких как сахар, или за то, чтобы растения с помощью фотосинтезирующего аппарата могли из СО2 и Н20 создавать органические молекулы.

Ферменты несут ответственность за процессы передачи сигналов в нервных клетках и, конечно же, делают возможной мыслительную деятельность человека. В противовес сторонникам эволюции мы не хотим сказать, что мышление является чистой функцией материи! Молекулы являются, конечно, необходимыми, но отнюдь не достаточными условиями мыслительного процесса.

На рисунке 4.3 воссоздается структура протеина, который играет большую роль в фотосинтезе бактерий. Схематически изображенная аминокислотная цепь специально создана так, что молекулы бактериохлорофилла могут наилучшим образом улавливать свет и в ходе сложного процесса его перерабатывать.

К тому же отдельные аминокислоты соединяются друг с другом так, что длинная цепочка занимает определенную пространственную форму. В ходе лабораторных экспериментов было выявлено, что это происходит во многих случаях абсолютно самостоятельно.

Информация о пространственной структуре протеина всегда определяется последовательностью аминокислот в цепочке – первичной структурой. Благодаря этому в некоторых местах создается такая химическая среда, в которой необходимые реакции происходят гораздо легче, чем обычно. Этот принцип называется катализом.

В нашем примере посредством определенного расположения аминокислот в семи местах протеиновой цепочки создается химическая среда, способствующая появлению строго определенного соединения – молекулы бактериохлорофилла. Молекула бактериохлорофилла образует совместно с аминокислотами, фиксирующими ее в пространстве, активный центр. Он катализирует прием и преобразование световой энергии в энергию химических связей.

В нашем организме имеются тысячи ферментов, но о многих из них мы не знаем или не знаем пока еще точно, для чего они служат. Известно лишь одно: все это множество протеинов в клетке самым тесным образом “подогнано” друг к другу для того, чтобы весь организм мог функционировать как единое целое.

Но протеины служат не только для катализа реакций обмена веществ. Некоторые из них участвуют в создании таких биологических структур, как коллаген в наших волосах.

Другие же устроены так, что вступают в реакцию с ферментами и контролируют катализируемые ими реакции.

Весьма важная группа протеинов может соединяться с цепочками нуклеотидов ДНК и, тем самым, регулировать дупликацию (удвоение) ДНК и передачу генетической информации.

Ошибается тот, кто думает, что функцию фермента можно понять, если расшифровать непосредственно или при помощи нуклеотидной цепочки последовательность расположения в них аминокислот и точно указать, какую реакцию они катализируют. Это неверно.

Имеются сотни ферментов с известной последовательностью аминокислот, о которых, однако, очень мало известно, какой вклад определенная аминокислота вносит в функции фермента, и что последует, если заменить ее в ходе мутации.

Сегодня пока еще не представляется возможным предсказать точную пространственную структуру протеина на основании первичной структуры.

Итак, гены, несущие информацию о протеине (в этом случае говорят: они кодируют протеин), распределены по всей цепочке ДНК непроизвольно. Часто они составлены так, что протеины, которые по своему биологическому предназначению должны взаимодействовать, кодируются последовательно в ДНК и часто даже совместно регулируются.

Подобная последовательность генов называется оперон. Такой вид генетической регуляции сначала был обнаружен у бактерий. У более высокоразвитых живых существ, имеющих ядерные клетки, имеется, напротив, другой вид генетической организации. Старая гипотеза молекулярной биологии гласит: один ген соответствует одному протеину.

Эту гипотезу называли также “один ген – один протеин”. Для бактериальных протеинов это верно, но у более развитых организмов многие гены делятся на части (рис. 4.4). Цепочки ДНК подразделяют на экзоны и нитроны. Последовательности экзонов транслируются в последовательности аминокислот, а последовательности интронов не транслируются.

Происходит следующее: во время транскрипции информация с ДНК переписывается на информационную РНК (и-РНК). И-РНК разделяются специальным ферментом на экзоны и интроны. Потом все относящиеся к протеину экзоны опять соединяются вместе – в зрелые и-РНК и могут, наконец, быть переведены в протеины (трансляция).

Наследственная информация о протеине разделяется, таким образом, между многими “генами”. До настоящего времени точно не известно, какую функцию выполняют интроны. Некоторые эволюционисты предполагают, что они являются “отходами” эволюции, другие считают это “эгоистичной” или “паразитарной” ДНК.

Многие биологи придерживаются мнения, что функция их пока неизвестна и подобные “интроны” выполняют, возможно, важные регуляторные функции Возможного потенциала изменчивости этих структур мы коснемся ниже.

Сразу же после того, как была пересмотрена гипотеза “один ген – один протеин”, фальшивым было признано также и другое представление о ДНК.

Существовало предположение о том, что молекула наследственности является чем-то жестким и застывшим В действительности ДНК является динамичной молекулой – некоторые биологи называют ее “свободной” И опять-таки по было сначала открыто у бактерий. Наряду с основной кольцевой ДНК у бактерии имеются в цитоплазме так называемые плазмиды.

Эти кольца ДНК имеют значительно меньшие размеры и располагаются в определенном месте вне бактериального генома. В таких плазмидах закодированы, например, факторы иммунитета против антибиотиков (см. раздел 3.3.4.) Бактерии могут перенимать плазмиды у особей других видов. (Этот процесс стал известен под названием “горизонтальный перенос“).

Подобные феномены встречаются и у более высокоразвитых растений (предположительно также и у животных), речь идет о “прыгающих” генах, за открытие которых была присуждена Нобелевская премия.

Такие генные фрагменты могут “прыгать” по различным местам ДНК в пределах одного поколения организма и тем самым оказывать существенное влияние на транскрипцию, особенно если они встраиваются в регуляторные зоны ДНК. Генетический материал клетки перестраивается, таким образом, по ходу дела, изменяясь и образуя новые сочетания. Эволюционно-теоречическое значение “тих процессов мы обсудим позднее.

Предстоящий короткий экскурс в молекулярную генетику и краткое изложение ее основных положений необходимы были для того, чтобы мы могли лучше понять последующие рассуждения о “молекулярных механизмах эволюции” Кроме того, должна быть прояснена степень сложности поставленных вопросов, поскольку после шумных успехов молекулярной биологии многие из них остаются все еще открытыми и появляются все новые. Поэтому рассмотрение молекулярных основ эволюции вынуждено оставаться умозрительным и носить предварительный характер. По сути дела, многие попытки найти ответ терпят неудачу из-за недостатка знаний жизненно важных процессов, особенно на молекулярном уровне В этом сторонники эволюционной теории, как и сторонники теории сотворения, находятся на равных. И все же это не должно стать для нас препятствием к тому, чтобы наиболее объективным образом оценить известные в настоящее время данные научных выводов молекулярной биологии относительно их значения для исследования причинности эволюции.

Рис. 4.1. Четыре различных основания ДНК лежат в основе триплетов (кодонов), при этом каждый триплет соответствует определенной аминокислоте.

В процессе транскрипции (перевода информации на РНК) и трансляции (перевода на язык протеинов) в соответствующих рибосомах аминокислоты соединяются в протеины.

Этот схематически изображенный процесс в действительности очень сложен и становится возможным только благодаря строго упорядоченному взаимодействию сотен компонентов. У бактерий этот процесс в общих чертах является таким же, как и у человека.

Рис. 4.2. Транскрипция и перевод информации ДНК в протеины еще раз схематически изображен на этом рисунке.

Можно сравнить этот процесс с информационным центром огромного предприятия ( = ядро клетки с геномом; геном – совокупность генов только ДНК ядра), в котором вся собранная информация размещена в книгах или магнитофонных записях ( = ДНК).

Тогда, в зависимости от необходимости, отдельные страницы одноразово или многократно копируются информационной РНК (u-PHK) и переносятся из центра в фабричные цеха (цитоплазма с рибосомами) для реализации (синтез протеина), откуда уже продукты достигают места назначения в клетке.

Рис. 4.3. Пространственное изображение аминокислотной цепи протеина хлоропластов некой бактерии. С и N обозначают концы аминокислотной цепи, цифры относятся к семи молекулам хлорофилла бактерии, которые абсорбируют свет и, в конечном итоге, делают доступным обмен веществ.

Ясности ради многие побочные цепи опущены. Структура протеина настолько сложна, что даже при сегодняшнем уровне знании последовательность аминокислот нельзя точно расшифровать, так как цепочка нелинейна. (Из J. Mo/. Biol., 131, 159-285, /1979/, с разрешения издательства.

)

Рис. 4.4. Для транскрипции двойная спираль ДНК должна раскрутиться на отдельные нити. После того, как одна цепочка переписывается на молекулу и-РНК, специальные ферменты делят ч-РНК на отдельные части (“экзоны”) и образуют чч них более короткие и-РНК, которые служат матрицей для синтеза протеина на рибосоме.

Пунктирно обозначенные части РНК /”интроны j распадаются опять на нуклеотиды. Недавно было установлено, что эти интроны частично обладают ферментной активностью.

Можно легко себе представить, что с помощью этих механизмов различные фрагменты ДНК могли бы комбинироваться друг с другом по-разному,

НазадВыход

Источник: https://creationism.org/crimea/tutorial/4.1.html

Молекулярные основы эволюции Молекулярная эволюция определения

Молекулярный механизм эволюции

Молекулярные основы эволюции

Молекулярная эволюция определения • Молекулярная эволюция – это эволюция науровне ДНК, РНК и белков. • Изучение того, как молекулы изменялись и «эволюционировали» входе видообразования и отбора.

Процесс внесения дискретных изменений в гены для улучшения функциональных характеристик белков и ферментов.

• Молекулярная эволюция представляет собой наиболее сложный тип эволюции, особенно о происхождении человека.

Возникновение • Молекулярная эволюция в качестве отдельной области знаний возникла в 60 -е годы, когда ученые, занимавшиеся молекулярной биологией, эволюционной биологией и генетикой популяций, пытались осмыслить недавние открытия, связанные с изучением структуры и функций нуклеиновых кислот и белков.

Открытие архебактерий Carl R. Woese (1970) • “Я представляю собой молекулярного биолога, ставшего эволюционистом.

Мои интересы концентрируются на бактериях и археях, эволюция которых протекала на протяжении почти всей истории Земли.

Моя лаборатория реконструировала филогению обеих групп, используя в качестве «эволюционной мерки» последовательности РНК, это позволило создать метод классификации прокариот. Результатом этих исследований стало открытие архей. ”

• группа микроорганизмов с прокариотной организацией клеток, резко отличающихся по ряду физиолого-биохимич. свойств от истинных бактерий • Включает более 40 видов.

• Морфологически и цитологически близки к эубактериям основное отличие в аппарате синтеза белка. Отличаются также по химическому строению мембран, у многих в клеточной стенке есть белковый слой.

• По форме клетки могут быть палочками, кокками, спириллами и др. • Развиваются как в кислородных, так и в бескислородных условиях.

Молекулярная эволюция Эволюция макромолекул Изменения генетического материала (например, последовательностей ДНК) и кодируемых им продуктов (белков) в ходе эволюции и механизмы этих изменений Реконструкция эволюционной истории генов и организмов «Молекулярная филогения» , или «Молекулярная филогенетика» основана на использовании молекулярных данных Пребиотическая эволюция

Эволюция генов и белков • Методы анализа и сравнения последовательностей – филогенетического анализа, контекстного анализа • Построение и интерпретация филогенетических деревьев для семейств генов, белков, РНК • Теория синонимического макроэволюционного дрейфа, филетической коэволюции и др.

Эволюционные аспекты структурной организации макромолекул • Принципы формирования первичных, вторичных и третичных структур белков и РНК. • Влияние особенностей структуры на изменчивость макромолекул: мутационные спектры, блочные принципы эволюции, роль прямых и инвертированных повторов. • Особенности процесса синонимической эволюции и пути возникновения новых классов макромолекул.

Эволюция геномов • Размер, плотность кодирования информации • Дублирование • Сегрегационные и аберрационные потери • Объединение и распад геномов • Мультигенные семейства • Согласованная эволюция

В. Ратнер: «Процесс молекулярной эволюции по своей природе стохастичен. Почти все существенные факторы эволюции имеют заметную случайную компоненту, параметры случайно флуктуируют, непредсказуемо меняются условия окружающей среды.

Случайны процессы изменчивости, скрещиваний, миграций. Случайны результаты генетического дрейфа – фиксация или утрата аллелей, макроэволюционный синонимический дрейф и другие процессы.

Следовательно, эволюцию нужно описывать как случайный процесс, не исключая в нем, впрочем, и некоторых детерминированных тенденций. »

Первые модели теории молекулярной эволюции 1. Эволюция на молекулярном уровне является в основном стохастическим процессом. 2.

Число нуклеотидных замен, обнаруживаемых при сравнении двух последовательностей, не совпадает с реальным числом замен из-за небольшого числа нуклеотидов (4) по сравнению с аминокислотами (20), поэтому недавние мутации могут маскировать те, которые произошли давно. 3. «Молекулярные часы» эволюции.

• 1970 -е статистический анализ данных по секвенированию белков – аминокислотные замены обычно не подчиняются простому распределению Пуассона. • Скорости замен более-менее постоянны на протяжении времени.

• Количественные иммунологические сравнения белков – дальнейшая поддержка гипотезе молекулярных часов. • в конце 70 х гипотеза молекулярных часов была принята большинством молекулярных эволюционистов (Kimura and Ohta, 1974, Nei, 1975, ).

Тем не менее, некоторые, особенно Goodman (1976, 1981) продолжали ее оспаривать.

• 1960 е – революция в генетике популяций. • Секвенирование белков – удаление видовых барьеров в изучении генетики популяций.

• Экстраполируя скорость нуклеотидных замен, полученную на основе нескольких белковых последовательностей, на целый геном млекопитающих Кимура (1968) получил скорость замен на геном , которая по его мнению была слишком большой для того, чтобы быть совместимой с принципом Холдейна «цены естественного отбора» • Поэтому Кимура (1968) предположил, что большинство молекулярных замен в эволюции происходят за счет случайного дрейфа нейтральных или почти нейтральных мутаций.

Классическая точка зрения Эволюция – динамический процесс Полиморфизм – статический процесс Механизмы сохранения высокого уровня полиморфизма в популяциях Кимура( 1968) Полиморфизм обусловлен нейтральными (или почти нейтральными) мутациями. Полиморфизм не сохраняется постоянно в популяции, т. е. полиморфизм – это временная стадия молекулярной эволюции (Кимура, Ота 1971).

Изучение характера и скорости аминокислотных замен в белках • Аминокислоты, сходные по своим физико-химическим свойствам, заменяются более часто, чем отличающиеся, • Функционально менее значимые молекулы или части молекул эволюционируют быстрее, чем более важные • Мутации, вызывающие наименьшие изменения в структуре белка или его функции имеют большую вероятность фиксации (т. е. распространения среди видов), чем мутации, обладающие более радикальными эффектами • Clarke (1970, 71) – эти наблюдения согласуются с точкой зрения сторонников теории отбора, т. к. мутации, обладающие наименьшими эффектами, с большей вероятностью будут полезными.

7 значительных событий в развитии теории молекулярной эволюции • • 1) Гипотеза «молекулярных часов» . 2 Нейтральная теория эволюции.

3) Теория «почти» нейтральных мутаций 4) Биохимический полиморфизм природных популяций 5) Быстрая эволюция псевдо генов.

• 6) Обнаружение положительного отбора при сравнении не синонимичных и синонимичных замен. • 7) Быстрая эволюция не синонимичных сайтов в небольших популяциях.

Программируемая клеточная смерть или апоптоз • Апоптоз (опадание листьев) — регулируемый процесс программируемой клеточной гибели, в результате которого клетка фрагментируется на отдельные апоптотические тельца, ограниченные плазматической мембраной.

Фрагменты погибшей клетки обычно очень быстро фагоцитируются макрофагами либо соседними клетками, минуя развитие воспалительной реакции.

• Фагоцитоз -процесс, при котором специально предназначенные для этого клетки крови и тканей организма (фагоциты) захватывают и переваривают твёрдые частицы.

Апоптоз человеческого лейкоцита.

Фазы апоптоза Процесс апоптоза можно разделить на три фазы: 1. сигнальную (индукторную), 2. эффекторную 3. деградационную (фаза экзекуции или деструкции)

• Сигнальная фаза- Начальная фаза исключающего цикла, во время которой абонент интерфейса, работающий с шиной, посылает на шину сигнал ошибки, после чего прекращает цикл арбитража шины и передачи данных • В течение эффекторной фазы различные инициирующие пути конвертируются в один общий путь апоптоза. Как правило, происходит активация каскада белков-эффекторов и регулирующих их белков-модуляторов. Основными эффекторами апоптоза являются каспазы.

В процессе активации они запускают каспазный каскад: сложно переплетённые цепочки взаимодействий инициирующих и эффекторных каспаз.

• Эффекторная фаза- В течение эффекторной фазы различные инициирующие пути конвертируются в один общий путь апоптоза.

Как правило, происходит активация каскада белков-эффекторов и регулирующих их белков-модуляторов. Основными эффекторами апоптоза являются каспазы.

В процессе активации они запускают каспазный каскад: сложно переплетённые цепочки взаимодействий инициирующих и эффекторных каспаз.

• Деградационная фаза- Итогом программируемой клеточной гибели вне зависимости от изначального инициирующего воздействия является деградация клетки путём фрагментации на отдельные апоптотические тельца, ограниченные плазматической мембраной.

Источник: https://present5.com/molekulyarnye-osnovy-evolyucii-molekulyarnaya-evolyuciya-opredeleniya/

Молекулярный механизм эволюции — allRefs.net

Молекулярный механизм эволюции

Молекулярный механизм эволюции – раздел Химия, Молекулярный Механизм Эволюции Рафаил Нудельман Открытие, О Котором Я Хочу Р…

Молекулярный механизм эволюции Рафаил Нудельман Открытие, о котором я хочу рассказать, стало достоянием научной общественности, когда в журнале „Nature“ была опубликована статья под названием „HSP-90 как пособник морфологической эволюции“.

Непосвящённым людям это название, конечно, не говорит ничего, но специалисты тотчас распознали под этой сугубо академической шапкой сенсационное содержание.

Впрочем, точнее всего сформулировали сущность нового открытия сами его авторы — американские исследовательницы Сюзанна Резерфорд и Сюзэн Лундквист, которые открыли раздел „Обсуждение результатов“ знаменательной фразой: „Мы впервые, насколько нам известно, нашли свидетельства существования специального молекулярного механизма, который способствует процессу эволюционных изменений в ответ на изменения окружающих условий“. Ещё более просто то же самое было сказано в комментарии британской радиостанции „Би-би-си“: „Открыт молекулярный механизм эволюции!“ (Правда, справедливости ради следует отметить, что авторы сопроводили подзаголовок своей статьи — „Механизм эволюционности“ — не восклицательным, а куда более осторожным вопросительным знаком.) Что же это значит — молекулярный механизм эволюции? Мы все знаем, что эволюция видов происходит в результате появления случайно изменившихся особей и естественного отбора из их числа тех, которые лучше приспособлены к меняющимся условиям окружающей среды.

Но это, так сказать, „макроопределение“. Несомненно, процесс появления „изменившихся особей“ начинается с каких-то молекулярных изменений, ведь все признаки той или иной особи того или иного вида диктуются генами.

Соответственно, и все изменения этих признаков должны начинаться на уровне генов, то есть на молекулярном уровне.

Сегодня уже известно, что основной причиной таких изменений являются так называемые мутации. Мутация — это случайное изменение какого-то гена, вызванное радиационным, химическим или иным повреждением.

Поскольку каждый ген управляет образованием того или иного клеточного белка или его части (а уже через эти белки — признаками организма в целом), то мутация в гене чаще всего ведёт в конечном счёте к некоторому искажению его белка — в случае так называемой микромутации, как правило, к „точечному“ искажению, попросту говоря — к замене одной определённой аминокислоты на другую.

Последствия такой замены могут быть как очень вредными или даже смертельными для организма, если они затрагивают очень важное звено, либо же безвредными — нейтральными, а изредка (по счастливой случайности) даже полезными для лучшей адаптации к среде.

Всё сказанное не объясняет, однако, как же всё-таки происходит эволюция. Поясню на примере, в чём тут закавыка. Даже самый беглый взгляд на эволюцию биологических видов убеждает в том, что она ускоряется в условиях стресса, то есть ситуации, возникающей в результате резкого и неблагоприятного изменения внешних условий.Это хорошо известно, например, по отношению к бактериям.

Попадая в ситуацию физиологического стресса, вызванную, например, голоданием или появлением в окружающей среде антибиотиков, они очень быстро отвечают на эту угрозу появлением множества новых мутантных разновидностей, среди которых обнаруживаются особи, успешно выживающие в новых условиях (становясь, например, резистентными к антибиотикам или приобретая способность усваивать прежде несъедобную пищу). Трудно представить себе, что именно в этих условиях мутации, которые и ведут в конечном счёте к появлению новых разновидностей бактерий, почему-то резко учащаются, ведь мутации — явления случайные, не приурочены же они именно к нужному моменту! Но ещё труднее представить, что бактерии каким-то чудом „целенаправленно отвечают“ на возникшую потребность приспособиться и выжить.

Несомненно, должен существовать какой-то скрытый молекулярный механизм, который сам собою включается в условиях стресса, и — что увеличивает частоту мутаций? Каким образом? Загадка.

Между тем поведение бактерий — далеко не единственный пример „ускоренной“ эволюции в условиях стресса.

Наука палеоантропология знает другой такой случай. Сегодня многие палеоантропологи считают, что аналогичным образом произошёл один из важнейших этапов в эволюции дальних предшественников человека — от так называемых австралопитеков к собственно гоминидам.

Те из австралопитеков, которые от чисто растительного рациона перешли к мясной пище, должны были выходить из лесов в открытые африканские саванны, чтобы найти себе там такую пищу (остатки недоеденных хищниками животных), и в ходе таких поисков порой забредали в изолированные от окружающего мира долины или ущелья.

Там, оказавшись в трудных условиях, угрожавших их выживанию, они, по мнению палеоантропологов, эволюционировали (адаптировались) быстрее, чем те группы австралопитеков, которые оставались в привычных условиях леса и не нуждались в такой адаптации.

Чем дольше была изоляция, тем больше накапливалось в группе таких эволюционных изменений, пока она окончательно не превратилась в новую, более совершенную группу Гомо.

Знаменитый „Кембрийский взрыв“ свидетельствует, что подобные явления могут происходить и в более громадных масштабах.

Напомним, что „Кембрийским взрывом“ называется в биологии краткий (около миллиона лет) период быстрого (в геологических масштабах времени, разумеется) появления огромного числа новых биологических видов, отличавшихся радикально изменёнными телесными формами и структурами, например, именно тогда впервые возникли позвоночные, к которым принадлежит и человек.

Сегодня считается, что этот период, отстоящий от нас почти на 500 миллионов лет, начался с резкого быстрого нарастания концентрации кислорода в земной атмосфере, что создало стрессовые условия для существовавших тогда организмов.

Между прочим, не менее знаменитая катастрофа — исчезновение динозавров, произошедшее около 65 миллионов лет назад, скорее всего, в результате столкновения Земли с огромным метеоритом, — тоже сопровождалось ускоренным появлением множества новых видов (например, нынешних млекопитающих), причём, как показал американский исследователь Д. Яблонский, именно в ближайших окрестностях места падения метеорита, в районе нынешнего Мексиканского залива, новые виды появились раньше всего, уже через миллион лет после катастрофы, а ведь именно там стресс должен был быть сильнее всего.

На поверхности клетки располагаются рецепторы различного вида, которые взаимодействуют со своими сигнальными молекулами Все эти примеры показывают, что неблагоприятные, стрессовые изменения среды не просто способствуют эволюции, но резко ускоряют её, порой в громадных масштабах, но это лишь усугубляет загадку — каков же молекулярный механизм такого ускорения? Каким образом ухитряются наследственные молекулы ДНК так быстро меняться именно в нужный момент? Откуда берется — опять-таки именно в нужный момент — такое множество благоприятных мутаций сразу? Открытие Сюзанны Резерфорд и Сюзэн Лундквист, с рассказа о котором мы начали эту заметку, как раз и наметило контуры возможного ответа на все эти вопросы.

Эти исследовательницы выбрали в качестве объекта изучения некий специфический белок, функции которого в организме связаны, с одной стороны, со стрессом, а с другой — с развитием и изменением клеток.

Эта его двойственная роль, по мнению исследовательниц, должна была позволить проследить связь между стрессом и клеточными (а в конечном счёте — и организменными) изменениями на самом глубоком, молекулярном уровне.

Белок этот называется HSP-90, что и обусловило название статьи в „Nature“.

Он относится к широкой и важной группе так называемых белков теплового шока, назначение которых, как видно из их определения, состоит в защите клеточных белков от теплового воздействия, то есть от „шока“, который может быть вызван резким повышением температуры окружающей среды.

Повышение температуры, вообще говоря, смертельно опасно для любых белков — оно разрушает химические связи внутри них, а это приводит к утрате молекулой белка его специфической формы, а с нею и способности к выполнению своих функций в клетке.

Этот исход наглядно демонстрирует белок сваренного куриного яйца.

Так вот, белки теплового шока, плавающие в межклеточной среде и окружающие снаружи поверхность клеток, как бы принимают тепловой удар на себя и благодаря этой своей „самоотверженности“ предотвращают (до определённого предела, разумеется) разрушение клеточных белков.

Исследования последних лет показали, что те же белки теплового шока способны защищать клеточные белки и от многих других опасностей и стрессов, например кислородного голодания, химических повреждений и даже от атаки некоторых патогенов.

Более того, проникая в клетку, они защищают её белки даже в отсутствие стресса, когда эти белковые молекулы только образуются внутри клетки, и до тех пор, пока они не свернутся надлежащим образом.

Таким образом, белки теплового шока впору назвать просто „защитными“.

Защитный белок HSP-90 поддерживает молекулу сигнального рецептора в стабильном состоянии Среди всех этих общезащитных белков HSP-90 выделяется одной уникальной особенностью.

Он не занимается защитой образующихся белковых молекул. Подавляющее большинство его „подопечных“ белков относится к классу так называемых передатчиков сигнала (signal transducers).

Типичным примером таких передатчиков являются рецепторы клетки.

Рецепторы — это белки, назначение которых состоит в распознавании специфических молекул, плавающих в межклеточном пространстве, и соединении с теми из них, которые определённым образом „соответствуют“ данному рецептору.

Белок-рецептор имеет удлинённую форму: его „головка“, как грибок, торчит над поверхностью клетки, „тельце“ пронизывает её клеточную мембрану, а „хвост“ находится внутри клетки.

Рецепторы — „передатчики сигналов“ рассчитаны на соединение с теми специфическими молекулами (гормонами, феромонами, нейротрансмиттерами, факторами роста и т. д.

), которые циркулируют в межклеточной среде, перенося химические сигналы от одних клеток к другим.

Известно, например, что в процессе роста эмбриона такие „сигнальные молекулы“ понуждают клетки в определённых местах эмбриона к специализации, командуя им превращаться в клетки глаза, конечностей, сердца и т. д.

Как это происходит? Когда сигнальная молекула садится на торчащую из клетки „чашечку“ рецептора, это вызывает в рецепторе изменение его формы — как говорят, „конформационное изменение“.

Такое изменение продвигается вдоль тела рецептора и достигает его „хвоста“, находящегося внутри клетки.

Окружающие этот „хвост“ специальные белки, киназы, под воздействием такого конформационного изменения понуждаются вступать в специфические биохимические реакции, что влечёт за собой целый каскад последовательных химических превращений, достигающих в конечном счёте наследственных молекул, укрытых в ядре клетки.

Это и есть процесс передачи „сигнала“ из окружающей клетку среды к её наследственным молекулам.Упомянутый каскад внутриклеточных реакций, вызванный таким сигналом, может, например, привести к тому, что на какой-то ген наследственной молекулы сядет молекула белка, блокирующая или, наоборот, усиливающая его работу.

А это уже, в свою очередь, влияет на темп роста клетки, характер метаболизма в ней, процесс её деления или даже её специализацию в ходе эмбрионального развития.Дело в том, что специализация клеток эмбриона (то есть превращение их в клетки глаза или сердца) напрямую зависит от того, какие гены в её наследственной молекуле включены, а какие заблокированы.

Вернёмся, однако, к защитному белку HSP-90. Где его место в нарисованной картине передачи сигналов? Оказывается, сигнальные рецепторы очень неустойчивы.

Грубо говоря, та цепь звеньев-аминокислот, которая составляет их „хвост“, „тельце“ и наружную „чашечку“, имеет тенденцию менять свою форму под воздействием даже небольших изменений, например, в результате мельчайших изменений в составе этой цепи вроде случайной (в результате „точечной“ мутации) замены одной аминокислоты на другую.

Понятно, что такое изменение формы „чашечки“ влияет на её способность узнавать нужную „сигнальную молекулу“ и соединяться с ней. В результате сигнал либо вообще не поступает в клетку, либо поступает „искажённым“ и вызывает иные последствия в наследственных молекулах.

Развитие клетки (а порой и организма в целом) может пойти по „аномальному“ пути. Для того чтобы этого не произошло, природа и „придумала“ защитный белок HSP-90.

Вторая его функция (кроме защиты от теплового шока) состоит как раз в том, чтобы удерживать рецепторы — передатчики сигналов в той конформации, которая необходима для нормального приёма и передачи сигнала.

Упрощённо действие этого белка можно представить себе как чисто механическое (на самом деле, оно химическое) удерживание „чашечки“ рецептора в нужной форме до момента прихода сигнальной молекулы.При мощном внешнем воздействии молекулы HSP-90 устремляются на борьбу с ним, а это позволяет проявиться скрытым мутациям.

Эта роль HSP-90 была первоначально обнаружена при изучении дрожжей.

Было установлено, что при нормальной температуре искусственное (путём химического воздействия) понижение концентрации этого белка в организме дрожжей влечёт за собой полное прекращение передачи в клетки сигналов от тех рецепторов, которые обычно связаны с молекулами HSP-90.

То же самое происходит, если вместо искусственного снижения концентрации HSH-90 просто повысить температуру окружающей среды. Оно и понятно: при повышении температуры часть молекул этого белка отвлекается на защиту клетки от теплового шока, а оставшихся молекул, видимо, недостаточно для стабилизации сигнальных рецепторов.

Иными словами, при любом — чисто химическом или тепловом — уменьшении числа молекул HSP-90, обслуживающих сигнальные рецепторы, происходит то или иное нарушение нормальных сигнальных путей.К чему же ведёт такое нарушение? Резерфорд и Лундквист решили выяснить это на примере плодовых мушек, знаменитых дрозофил.

В нескольких лабораториях было обнаружено, что у дрозофил можно вызвать такую мутацию в одной из их наследственных молекул, что в результате образующийся в их организме белок HSP-90 окажется „испорченным“.

Американские исследовательницы предположили, что это должно повлиять на сигнальные процессы в организмах дрозофил, как влияет на эти процессы снижение концентрации этого белка в организме дрожжей, и задались целью детально изучить последствия таких нарушений. Для этой цели они отобрали коллектив мушек-мутантов с испорченным HSP.

Когда они стали скрещивать этих дефектных мушек с обычными, у которых HSP не был испорчен мутацией, то убедились, что заметное число потомков таких пар (дефектный — нормальный) тоже обладает аналогичными дефектами.

Что же могло изменить нормальное развитие мушек с „испорченным“ HSP-90? Существовали три возможности.

Во-первых, такие мутанты могли оказаться просто более чувствительными к микроизменениям окружающей среды, что и вызвало появление дефектов их эмбрионального развития, — напомним, что этот белок, кроме своего действия на сигнальные рецепторы, защищает клетки и от всяких стрессов, вызванных такими микроизменениями.

Во-вторых, могло статься, что HSP-90 каким-то образом участвует в контроле за удвоением наследственных молекул при делении клеток, тогда при его отсутствии или порче это удвоение могло происходить не вполне точно, с генетическими ошибками.

Наконец, была и третья, самая интересная возможность: в аминокислотных цепях сигнальных рецепторов могли существовать какие-то скрытые мутации, какие-то заменённые аминокислоты, — напомним, что такие замены, как мы уже говорили, как раз и вызывают нежелательные изменения формы рецептора.

Пока белок HSP-90 „насильственно“ удерживал рецептор в нужной (нормальной) форме, влияние этих скрытых мутаций не могло проявиться, но как только его стабилизирующее наружное действие было устранено (из- за его порчи), эти скрытые мутации дали о себе знать.

Они изменили форму рецептора, это повлияло на передачу сигналов, а искажённые сигналы вызвали аномальное развитие клеток.Как уже было описано выше, клетки эмбриона, которые должны были получить сигнал на специализацию в клетки глаза, при искажении сигнала могли специализироваться в клетки конечностей и т. п.

Почему третья возможность — „самая интересная“? Потому что в этом случае вырисовывается вероятная картина молекулярного механизма ускоренной эволюции под стрессом: стресс отвлекает часть молекул HSP-90 от задачи стабилизации сигнальных рецепторов, это позволяет „проявиться“ сразу всем тем скрытым мутациям, которые накоплены в сигнальных рецепторах за предшествующие поколения, а проявление сразу большого числа ранее накопленных мутаций как раз и обеспечивает то ускоренное возникновение многочисленных разновидностей, которое никак нельзя было объяснить одновременным появлением всего этого множества мутаций как раз в процессе стресса.

Иными словами, загадка ускоренной эволюции под стрессом решалась бы именно тем, что эта быстрота обусловлена не одновременным появлением множества новых мутаций, а одновременным проявлением множества мутаций, накопленных ранее, но до поры до времени (стресса) скрытых.

Теперь мне остается лишь сказать, что последующие эксперименты Резерфорд и Лундквист подтвердили именно эту, третью возможность. Попутно выявилось ещё одно интереснейшее обстоятельство.

Оказалось, что если скрещивать дефектных мушек до шестого-седьмого поколения, то проявление некоторых дефектов (например, глаза и крыла) перестаёт зависеть от наличия или отсутствия HSP-90.

Как это понимать? Резерфорд и Лундквист объяснили это тем, что существует, видимо, какой-то порог проявления скрытых мутаций: если их число в молекуле рецептора ниже определённого, „порогового“ значения, они могут влиять на форму рецептора только при полном отсутствии HSP-90, но если их число выше этого порога, они проявляются (то есть влияют на рецептор и меняют сигнальные пути, что приводит к появлению дефектных эмбрионов) независимо от стабилизирующего действия защитного белка.

Грубо говоря, способность скрытых мутаций влиять на аминокислотную цепь рецептора становится больше способности HSP-90 удерживать эту цепь от таких влияний.

Иначе говоря, с увеличением числа поколений происходит накопление скрытых мутаций, ведущее в конце концов к их проявлению даже вопреки действию HSP-90.

Почему всё это так важно? Подставьте на место слова „дефект“ более широкое словосочетание „новый признак“ (ведь появление дефекта есть частный случай появления нового признака), и вся описанная выше картина тотчас окажется картиной эволюции в естественных условиях.

В самом деле, в естественных условиях весьма часто возникают такие стрессы, которые отвлекают часть молекул HSP-90 на защиту клеток от этого стресса и тем самым понижают их концентрацию вблизи сигнальных рецепторов.Это приводит к некоторому понижению порога проявления скрытых мутаций, способных вызвать появление нового признака.

Подсчёты показывают, что достаточно понизить этот порог даже на пару десятков процентов, чтобы количество особей с „надпороговым“ числом скрытых мутаций оказалось вполне заметным (несколько процентов от общего числа особей в коллективе).

Потомство этих особей обретёт новый признак, станет новой разновидностью внутри данного вида. Дальше уже вступит в действие естественный отбор.

Если этот новый признак будет давать „дефектным“ особям хотя бы небольшое преимущество в адаптации, естественный отбор начнёт увеличивать частоту его появления в коллективе (иными словами, потомство этих особей будет выживать лучше, чем потомство других, и их доля в коллективе будет неуклонно возрастать).

По мере продолжения их скрещиваний друг с другом среди этих особей будут всё чаще появляться те, у которых число скрытых мутаций больше порога даже в присутствии HSP-90.

Если теперь стрессовые условия кончатся, настанут „спокойные времена“, HSP-90 вернётся к исполнению своих обязанностей по надзору за сигнальными рецепторами, и порог проявления скрытых мутаций поднимется опять до своего нормального значения, это уже не сможет изменить ситуацию: в коллективе уже накопилось достаточно особей, способных преодолеть и этот порог.

Новый признак будет сохраняться и далее.

По мнению Резерфорд и Лундквист, проявление скрытых мутаций, ведущее к устойчивым эволюционным изменениям, является, видимо, главным или, во всяком случае, одним из важнейших молекулярных механизмов эволюции.

Способы этого проявления, возможно, могут быть различны, на это как будто указывают исследования некоторых других экспериментаторов, но среди этих способов проявление скрытых генетических вариаций посредством нарушения функций HSP-90 явно занимает особое место, выделяясь как разнообразием, так и масштабом проявляющихся телесных изменений.Даёт ли это основание считать этот конкретный способ проявления скрытых мутаций „главным“ молекулярным механизмом эволюции — другой вопрос.

Не случайно Резерфорд и Лундквист именно в этом месте своей статьи поставили вопросительный знак.

Но подумать только — весь гигантский Кембрийский взрыв мог быть следствием проявления накопленных за миллиардолетия скрытых мутаций, обнажившихся в результате того, что крохотные молекулы HSP-90 отвлеклись на защиту клеток от внезапно возникшего избытка кислорода! Список литературы Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://wsyachina.narod.ru.

Развернуть

Открыть в широком формате

Источник: http://allrefs.net/c26/3amk5/

Молекулярная эволюция // Ратнер В. А. ≪ Scisne?

Молекулярный механизм эволюции

Теория эволюции является одним из краеугольных камней биологии и естествознания в целом.

В последние годы теория эволюции испытывала ускоренное изменение и развитие в связи с появлением в естественнонаучной практике нового мощного пласта экспериментальных данных и теоретических методов.

В поле зрения теории эволюции попали кодирующие макромолекулы: ДНК,РНК и белки, составляющие костяк молекулярно-генетической организации клеток и организмов.

Теперь уже широко известна роль ДНК и РНК как материальных носителей генов, м-РНКкак переносчика генетической информации от генов к белкам и белков как исполнителей самых разнообразных биологических функций: ферментов — катализаторов процессов обмена, антител —иммунных защитников организма, структурных элементов, регуляторных и транспортных элементов и т. д.

Первые последовательности аминокислот в белках были расшифрованы (секвенированы) в 50-е годы, нуклеотидов в генах и РНК — в 60-е, но массовое секвенирование началось только в 1977–1978 годы,став к настоящему времени рутинной технологической операцией.

Результаты секвенирования с тех пор накапливаются в компьютерных банках данных. К осени 1997 года крупнейшие международные банки данных содержали сведения примерно об одном миллиарде секвенированных нуклеотидов (~1,6 млн генов и других фрагментов) и о более 100 тыс.

белков.

Легко понять, что расшифровка нуклеотидных последовательностей генов (ДНК),РНК и аминокислотных последовательностей белков создаёт новую ситуацию, позволяющую взглянуть на процесс эволюции с молекулярного уровня организации жизни.

Действительно, в классической генетике аллели генов принято обозначать однороднымибуквами или индексами: B и b, A1 и A2 и т. д. Если в процессе эволюции один аллель вытесняет другого (B → b и т. д.), то кажется, что происходят как бы утрата предыдущего аллеля (B) и распространение нового (b).

В то же время в молекулярной генетике известно, что многие мутации состоят в замене лишь одного или нескольких нуклеотидов:

Поэтому замена аллеля может сводиться фактически к замене и фиксации единственного нуклеотида, а остальная, большая часть гена остаётся неизменной. Сходство последовательностей аллельных генов (или белков) остаётся максимальным. Чем больше накапливается различий, тем меньше сходство последовательностей. Чем раньше дивергировали два гена, тем больше фиксированных различий они накопят.

Таким образом, сходство последовательностей макромолекул можно положить в основу молекулярно-филогенетических построений. Число различий мономеров (или близкая к нему величина)может быть мерой эволюционной дивергенции. Обилие секвенированных последовательностей в банках данных делает применимость этого подхода практически неограниченной.

В течение последних 30 лет были разработаны несколько десятков компьютерных методов и пакетов программ для построения филогенетических деревьев макромолекул и филогенетического анализа,при помощи которых были построены многие сотни филогенетических деревьев макромолекул.

В результате их анализа получены многочисленные интереснейшие данные, причём некоторые из них имели фундаментальное значение.

Многие макромолекулы эволюционировали гораздо медленнее, чем морфологические признаки живых форм, поэтому их филогенетический анализ позволяет заглянуть в очень ранние периоды эволюционного процесса (до 100–1000 млн лет тому назад).

На этом базируется развитие теории молекулярной эволюции. Здесь мы не будем описывать её на профессиональном уровне,этому посвящены другие издания, а продемонстрируем, так сказать, «научный продукт» этой науки — филогенетические деревья — и покажем, к каким любопытным выводам приводят их анализ и интерпретация. Некоторые приводимые результаты получены автором и его сотрудниками.

Кодирующие макромолекулы эволюционируют с разными скоростями. Наиболее консервативными обычно являются гены и белки некоторых очень глубоких и рано возникших генетических процессов, которые представлены у многих (или даже у всех) форм жизни.

Таковы, например, гены рибосомных РНК (входящих в молекулярный механизм синтеза белка),некоторых гистонов — белков компактизации ДНК хромосом. Менее консервативны гены и белки систем, которые встречаются у определённых широких групп видов (например, глобины животных).

Наконец, наиболее изменчивыми являются гены и белки РНК-содержащих вирусов, которые стремительно изменяются в борьбе с иммунной системой их хозяев (вирус гриппа, ВИЧ (HIV), онкогенные ретровирусы).

Примером глобального дерева, охватывающего все крупнейшие таксоны биологического мира, является дерево 16S—18S-рибосомных РНК, построенное американцем К. Вуузом и сотрудниками (рис. 1).

Наиболее неожиданным свойством этого дерева является существование в нём трёх крупнейших ветвей, объединяющих эубактерий (обычные бактерии), архебактерий (особая экзотическая группа бактерий) и эукариот (высшие ядерные организмы).

До этой работы считалось, что бактерии составляют единое надцарство Prokariota, отделённое от второго надцарства — Eukariotaсущественной дистанцией. В дереве Вууза все три глобальные ветви примерно равно удалены друг от друга.

Поэтому архебактерий следует считать самостоятельным надцарством. Таким образом, Вууз ввёл три надцарства, или домена: Bacteria, Archaea, Eucarya. Некоторые исследователи предлагали также термин «империя».

Рис. 1. Глобальное филогенетическое дерево надсемейства 16S–18S-рибосомальных РНК, построенное К. Вуузом и сотрудниками.

Этот важный результат сразу привлёк внимание к изучению архебактерий, причём вскоре было показано, что по многим другим свойствам они действительно существенно удалены как от эукариот, так и от эубактерий.

Многие архебактерии существуют в природе в весьма экзотических условиях: при высокой температуре вблизи подводных вулканов; в среде, насыщенной метаном,соединениями серы и т. д.

Время разделения надцарств Bacteria и Archaea оценивается примерно в 3,5 млрд лет назад.

Дерево Вууза включает в себя фракции 16S-подобных p-РНК,кодируемых не только ядерными генами, но и генами клеточных органелл — митохондрий и хлоропластов.

Легко заметить, что ядерная фракция р-РНК кукурузы (Zea mays)попадает в ветвь эукариот, как и ожидается, а фракции из митохондрий и хлоропластов этой же кукурузы (Zea mays mitochondrion, chloroplast) —в ветвь эубактерий.

Этот факт считается самым веским аргументом в пользу симбиотической гипотезы эволюционного возникновения эукариот, согласно которой митохондрии происходят от симбиотическихпредковых пурпурных бактерий, а хлоропласты — от цианобактерий (синезелёных водорослей), а вовсе не от ядерных структур эукариотических клеток.

Белки-глобины (гемоглобины крови, миоглобины тканей) и их гены распространены в живой природе не столь широко. Они найдены в основном у животных, некоторые удалённые их представители (леггемоглобины) найдены также у растений, а у прокариот они пока не обнаружены.

Поэтому глобины образуют молекулярное надсемейство, охватывающее лишь часть таксономического дерева жизни. Деревья эволюции глобинов и их генов были построены многими исследователями. На рис. 2 приведено филогенетическое дерево глобинов, построенное А. Жарких в нашей лаборатории.

В целом оно достаточно хорошо соответствует принятой таксономии животных.

Рис. 2. Филогенетическое дерево надсемейства глобинов, построенное А.А. Жарких для 40 удалённых последовательностей белков: 1 — фиксированные делеции, 2 — инсерции. Цифры указывают на их локализацию внутри белка.

Из независимых палеонтологических данных можно почерпнуть датировки эпох существования общих предков многих ныне живущих биологических форм.Так, в дереве глобинов датированы шесть точек ветвления.

Поскольку методы реконструкции деревьев позволяют определить длины рёбердерева (числа фиксированных замен, мутаций) на различных маршрутах, то с учётом датировок это даёт возможность подсчитать скорости эволюции на разных этапах и в разных ветвях дерева.

Нами получены очень любопытные оценки (рис. 3).

Рис. 3. Адаптивноеускорение фиксации замен аминокислот в гемоглобинах в эпоху выхода позвоночных животных на сушу (400–500 млн лет назад). Скорость эволюции: 1 — в среднем по белку; 2 — в центре контакта α1-β2; 3 — в регуляторном центре связывания ДФГ.

Во-первых, оказалось, что средняя скорость эволюции по всему белку была непостоянна и имела максимум примерно 400–500 млн лет назад, в эпоху выхода позвоночных животных из Мирового океана на сушу (рис. 3, 1).

Во-вторых, эта особенность выявилась ещё ярче для тех участков глобинов, которые отвечают за образование их четвертичной (мультимерной, агрегатной)структуры. Дело в том, что миоглобины и гемоглобины некоторыхпримитивных животных до сих пор представляют собой протомеры (отдельные субъединицы белка).

Круглоротые рыбы (например, минога)имеют димерные агрегаты гемоглобинов, а большинство других позвоночных — тетрамерные агрегаты, состоящие из двух α-субъединиц и двух β-субъединиц (α2β2). Субъединицы соединяются при помощи так называемых центров контакта, которые обозначаются α1-β1, α1-β2 и т. д.Для современных гемоглобинов известны аминокислоты, входящие в центры контакта.

Поэтому можно подсчитать скорости эволюции непосредственно для центров контакта. Максимум скорости чётко выявляется для центра контакта α1-β2 (рис. 3, 2) и регуляторного центра связывания дифосфоглицерата (ДФГ) (рис. 3, 3).

Таким образом, при выходе позвоночных животных на сушу их гемоглобин приобрёл тетрамерную структуру, когда разные субъединицы (α и β) связаны между собой центрами контакта α1-β2 и регуляторным центром ДФГ. Прежде всего в эту эпоху (или немного раньше) ген общего предка гемоглобинов был дуплицирован, а его копии в ходе дивергенции дали начало двум родственным семействам: α и β.

Именно в ту эпоху мы видим максимальную скорость эволюции центров их контакта и регуляции, а затем в течение сотен миллионов лет скорость резко падала, часто до нуля, когда возникшие центры были просто неизменны.

Иначе говоря, мы как бы видим события эпохи формирования новых функциональных структур молекул гемоглобина, которые в дальнейшем сохраняются у всех наземных форм позвоночных. Следует учесть, что выход позвоночных на сушу и переход к дыханию свободным кислородом воздуха сопровождались резкой перестройкой всей системы дыхания, и в том числе структуры гемоглобинов. Ускорение эволюции в эту эпоху означает, что указанные приобретения были высоко адаптивными, то есть обеспечивали существенное преимущество их обладателям.

Рис. 4. Филогенетическое дерево генов гемагглютинина H3 вируса гриппа типа A, построенное Л.В. Омельянчуком и др. «Висячие» вершины и ведущие к ним рёбра отвечают эпидемическим штаммам (1, 2, 3, 4, 5, 10).

Индексы штаммов указывают на место и год выделения. Внутренние вершины и рёбра дерева отвечают неэпидемическим стадиям циркуляции вируса («резервуар»). Вблизи рёбер указаны числа синонимических/несинонимических замен нуклеотидов.

Примером дерева наиболее быстрой молекулярной эволюции является дерево генов, кодирующих гемагглютинины H3 вируса гриппа (рис. 4), построенное Л.В. Омельянчуком и сотрудниками.

Это белок вирусного капсида, некоторые выпуклые участки которого (антигенные детерминанты) узнаются специфическими антителами хозяина (человека). В результате иммунное сопротивление хозяина препятствует размножению вируса.

Вирус гриппа имеет РНК-геном, в котором мутации происходят с наибольшей известной частотой — 10–3—10–4на позицию, за репликацию. В XX веке изучены несколько локальных эпидемий и пандемий гриппа. Одной из первых изученных была пандемия испанки 1918–1919 годов.

В дальнейшем были зафиксированы пандемии гонконгского гриппа и др.В большинстве случаев образцы эпидемических штаммов вируса гриппа были собраны и сохранены в коллекциях. После 1978 года РНК этих эпидемических штаммов были секвенированы, а позже теоретиками построены филогенетические деревья.

Анализ дерева на рис. 4 показал, что все эпидемические варианты оказались на нижних тупиковых ветвях дерева (так называемые висячие вершины).Это значит, что эпидемические штаммы, как правило, не бывают прямыми потомками других эпидемических штаммов.

Иначе говоря, неэпидемический вирус, видимо, циркулирует в каком-то «резервуаре» (локальной популяции человека, где к вирусу есть устойчивый иммунитет, или в популяции животных, которые могут быть промежуточными носителями вируса).

Эпидемии возникают тогда, когда появляется новый вариант вируса, противкоторого нет готовых антител, то есть готового иммунитета хозяина.Этот вариант как бы выплёскивается в человеческую популяцию и быстро в ней распространяется, пока не будет выработан адекватный иммунный ответ. Тогда эпидемия затухает.

Следующая эпидемия возникает путём независимого выплёскивания нового варианта вируса гриппа, не связанного, как правило, с предыдущей эпидемией.

Поскольку все эпидемии были датированы (см. рис. 4), оказалось возможным определить скорости эволюции. В эпидемических ветвях они оказались в 3–5 раз выше, чем в неэпидемических, причём особенно большое ускорение (в 36 раз)было выявлено именно в позициях, кодирующих антигенные детерминанты белка.

Иммунное сопротивление хозяина размножению вируса является главным селективным фактором, действующим на вирус. Поэтому выплеск эпидемического штамма, не встречающего иммунного сопротивления хозяина, сопровождается ускорением эволюции. Это размножение высоко адаптивно для вируса и неадаптивнодля хозяина-человека.

Напротив, после выработки иммунного ответа спокойное размножение вируса становится для него и хозяина нейтральным — в ожидании новых адаптивных мутаций и рекомбинаций. В целом можно говорить о коэволюции вируса и иммунного ответа системы хозяина.

Вирус стремится как бы мутационно выскользнуть из-под готового иммунного ответа хозяина, а хозяин стремится догнать новыеварианты вируса путём выработки нового специфичного иммунного ответа.

Ещё один пример — эволюция вируса ВИЧ (вирус иммунодефицита человека, HIV в английской транскрипции), вызывающего заболевание СПИД (синдром приобретённого иммунодефицита, в английской транскрипции AIDS).

Вирус ВИЧ передаётся половым путём, а также нередко при переливании крови, нестерильных инъекциях и хирургических вмешательствах, при родах от матери к ребёнку и в других подобных ситуациях. Он был обнаружен в начале 80-х годов в крови больных, погибавших от различных тяжёлых заболеваний.

Эти заболевания имели одно общее свойство — иммунная система больного была неспособна противостоять как этому вирусу, так и сопровождавшим возбудителям других заболеваний, от которых, собственно, больные и погибали.

Были обследованы образцы из банков переливания крови, которые созданы во многих странах для медицинских целей. Оказалось, что многие образцы содержали вирус ВИЧ.

Различные штаммы вируса ВИЧ, выделенные в разных районах Африки, Карибского бассейна и США, были секвенированы, для них теми же методами, что и выше, построены филогенетические деревья (одно из них показано на рис. 5).

Это дерево указывает, что вирус ВИЧ существовал в Центральной Африке (Заир) до 1960 года, был занесён на Гаити до середины 70-х годови в США до 1978 года.

Иначе говоря, его истоки лежат в Африке, где в некоторых странах вирусоносители составляют до половины населения, хотя заболевание СПИД проявляетсядалеко не у всех. Видимо, размножение вируса всё же сдерживается их иммунной системой.

Вирус ВИЧ сходен с некоторыми вирусами обезьян, поэтому многие учёные предполагают, что он возник в результате изменчивости этих вирусов и был занесён в популяцию человека извне относительно недавно.

Рис. 5. Филогенетическое дерево штаммов вируса ВИЧ (HIV), вызывающего заболевание СПИД, построенное В.-Т. Лии сотрудниками. Числа вблизи рёбер указывают процент дивергенции последовательностей. Справа указаны регионы, где изолированы штаммы.

Интересно, что изменчивость вируса ВИЧ (мутационная и рекомбинационная)столь велика, что он успевает измениться в сторону усиления своей агрессивности непосредственно в ходе развития болезни СПИД у некоторых больных в течение 1,5–2 лет и менее.

Оценки изменчивости показывают, что она превышает верхний допустимый предел, в результате чего иммунная система больного не успевает справиться с выработкой новых вариантов антител и фактически распадается, открывая путь процессу заболевания СПИД и других болезней.

Именно в этом, по-видимому, состоит источник агрессивности заболевания СПИД.

Рис. 6. Филогенетическоедерево высших приматов, построенное М. Гудменом и сотрудниками для некодирующих последовательностей из района вокруг гена φη-глобина. Обозначения: H — человек, C — шимпанзе, G — горилла, Or — орангутан, Rh — макак резус, NWM — обезьяны Нового Света. Цифры вблизи рёбер означают числа замен на 100 позиций нуклеотидов.

Естьбиологические проблемы, которые в большой степени и всегда интересуют человека и человечество. Среди них особое место занимаетпроблема происхождения и расово-этнической эволюции самогочеловечества. В последние годы в этой области прогресс связанв основном с филогенетическим анализом макромолекул. Американский учёный М.

Гудмен и сотрудники построили филогенетические деревья для некоторых генов и белков от высших приматов и человека. На рис. 6приведено одно из них. Из него следует, что порядок последовательного ответвления видов от эволюционного ствола человека таков: макак резус — орангутан — горилла — шимпанзе — человек.

Иначе говоря, наиболее близким к человеку является шимпанзе.

Следует отметить, что до этих работ в таксономии высших приматов выделяли два семейства: Hominidae, включавшее только вид Homo sapiens, и Pongidae, включавшее гориллу, шимпанзе и орангутана. Молекулярно-филогенетический анализ существенно изменил эту классификацию. Гудмен и его сотрудники предложили новую таксономию высших приматов:

    Семейство Hominidae

      Подсемейство Homininae
        Род Gorilla (1 вид — горилла),
        Род Homo (1 вид — человек),
        Род Pan (2 вида: обычный шимпанзе и карликовый шимпанзе),

      Подсемейство Ponginae

        Род Pongo (1 вид — орангутан)

Близость человека и шимпанзе дала основание Дж. Дайамонду назвать человека третьим шимпанзе. По его оценкам, геномы человека и шимпанзе различаются примерно на 3,2×107 одиночных замен нуклеотидов из 3×109,то есть на каждый сотый нуклеотид, но остальные 99 из 100 нуклеотидов у них одинаковы.

Время их молекулярной дивергенции оценивается в 5–10 млн летназад. Эти факты являются очень веским аргументом в пользу естественного происхождения человека в процессе филогенетического развития жизни на Земле в противовес различным религиозным мифам о разовом творении 5–10 тыс. лет тому назад.

Таким образом, молекулярно-филогенетический анализ позволяет приблизиться к решению очень важных вопросов эволюции. Иногда это единственная возможность заглянуть далеко назад. При этом почти всегда мы можем оперировать только кодирующими последовательностями от ныне живущих видов. «Ископаемых» последовательностей почти нет.

Правда, в последнее время удаётся выделить и секвенировать фрагменты ДНК из замёрзших ископаемых животных (мамонт), мумифицированных тел человека. Особых открытий эти данные пока не содержат.

Исключение представляет уникальная возможность выделения ДНК из мелких насекомых (мухи, термиты, пчёлы, долгоносик), законсервированных в природной смоле деревьев (янтарь).Известно, что эту идею использовал американский кинорежиссёр С.

Спилберг в фильме «Парк юрского периода»: в янтаре якобы найден комар, в кишечнике которого содержатся остатки клеток крови динозавра, укушенного этим комаром; из них выделяется ДНК динозавра. Затем динозавр полностью воспроизводится генно-инженернымиметодами на радость и страх посетителям парка. Разумеется, это фантазия.

Но анализ ДНК законсервированных насекомых вполне реален. Так, для термита, пчелы и долгоносика из янтаря были клонированы и секвенированы гены 18S-рибосомальной РНК. Они включены в филогенетические деревья этих молекул. Возраст найденных в янтаре термитов и пчёл — 25–40 млн лет, долгоносика — 120–135 млн лет. Пока это рекордные случаи.

В заключение можно отметить, что молекулярный филогенетический анализстановится сейчас одним из весомых методов таксономии живых форм. Таксономия высших приматов сейчас больше базируется на молекулярныхданных, чем на каких-либо других.

В систематике наивысших таксонов, систематике высших растений решающую роль играют деревья рибосомных РНК. Таксономию бактерий вообще невозможно построить без молекулярных данных.

Можно надеяться, что в дальнейшем роль этого подхода только возрастёт.

Литература

    1. Эволюция. М.: Мир, 1981.
    2. Айала Ф. Введение в популяционную и эволюционную генетику. М.: Мир, 1984.
    3. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М.: Мир, 1988. Т. 3.
    4. Кимура М. Молекулярная эволюция: Теория нейтральности. М.: Мир, 1985.
    5. Ратнер В.А.

    , Жарких А.А., Колчанов И.А. и др. Проблемы теории молекулярной эволюции. Новосибирск: Наука, 1985.
    6. Ратнер В.А. Краткий очерк теории молекулярной эволюции. Новосибирск: НГУ, 1992.
    7. Ratner V.A., Zharkikh A.A., Kolchanov N.A. et al. Molecular Evolution. B. etc.: Springer-Verlag, 1996.

Об авторе:
Вадим Александрович Ратнер
,доктор биологических наук, профессор Новосибирского государственного университета, зав. теоретическим отделом Института цитологии и генетики СО РАН, действительный член РАЕН. Область научных интересов: математическая генетика, теория молекулярной эволюции, теориямолекулярно-генетических систем.

Автор более 300 научных публикаций, в том числе 14 монографий.

«Соросовский образовательный журнал»

Источник: https://scisne.net/a-982

Vse-referaty
Добавить комментарий