Эмбрионы, гены и эволюция полностью

Мультигенные семейства возникли в процессе эволюции в результате дупликаций (или репликаций более высокого порядка) генов, существовавших в одном экземпляре. Такие начальные дупликации или множественные репликации приводят к образованию тандемных генов. В некоторых случаях сохраняется большое число идентичных тандемных генов. Коррегирующий механизм, обеспечивающий сохранение идентичности таких генов, как гены 18- и 28S-рибосомной РНК, зависит, вероятно, от поддержания тандемной организации. В некоторых из более мелких тандемных семейств за дупликацией следовала дивергенция генов, в результате чего возникали близкие, но не идентичные гены. В случае генов β-глобина такое положение сохранялось на протяжении длительного эволюционного времени. В других случаях близкие гены, например гены тубулинов или актинов, организованы так, как это показано на рис. 10-3, Г. Эти гены разбросаны по одной или нескольким хромосомам. Все изученные до сих пор разнообразные мультигенные семейства позволяют считать, что членство в таком семействе мало влияет на функцию продукта данного гена, а затрагивает лишь регуляцию его экспрессии. Существование этих семейств и их функция в развитии обусловлены, по-видимому, двумя главными причинами. Первая, и сама по себе менее интересная, причина состоит в том, что некоторые генные продукты необходимы лишь на протяжении короткого времени, но в огромных количествах. В этих случаях мультигенные семейства образованы большим числом идентичных генных копий, обычно соединенных тандемно. Так организованы гены рибосомных РНК; в результате их транскрипции образуются огромные количества рибосомной РНК, необходимой для сборки рибосом, которые клетка использует при белковом синтезе. Хороший, хотя и экстремальный пример потребности в функции генов рибосомной РНК содержится в работе Брауна и Дэвида (Brown, David) по рибосомным генам ооцитов лягушки Xenopus laevis. Образование новых рибосом начинается только после гаструляции, так что в начале развития зародыш целиком зависит от запаса рибосом, накопленных во время оогенеза. Запас этот довольно солидный - яйцо Xenopus содержит примерно 10¹² рибосом. Соматические клетки Xenopus содержат по 450 копий генов рибосомной РНК на каждый гаплоидный набор ДНК. Этого достаточно для удовлетворения потребностей относительно небольших соматических клеток, но даже такое множество генов не может обеспечить синтез рибосомной РНК в количестве, необходимом яйцу. Браун и Дэвид установили, что число этих генов амплифицируется в ооцитах, возрастая еще в 4000 раз. Несколько иная стратегия используется при оогенезе для обеспечения 5S-PHK, также необходимой для сборки рибосом. Каждый гаплоидный набор ДНК Xenopus laevis содержит 24000 копий главного специфичного для ооцитов гена 5S-PHK. В соматических клетках транскрибируются другие гены, образующие менее многочисленное семейство генов 5S-PHK.

Вторая причина связана с тем, что мультигенные семейства должны обеспечивать переключение генов в процессе развития. Семейства, содержащие близкие, но не идентичные гены, продуцируют сходные продукты, каждый из которых специфически необходим или клеткам различных типов, или на разных стадиях развития. Наиболее хорошо изученным примером служат небольшие мультигенные семейства, содержащие глобиновые гены. Эволюционные связи между глобинами человека, установленные на основании их аминокислотных последовательностей, представлены на рис. 10-4. Предковый гемоглобин дивергировал от миоглобина примерно ко времени возникновения хордовых, в конце докембрия. В свою очередь предковый β-глобин дивергировал от предкового α-глобина примерно 500 · 10⁶ лет назад, на заре истории позвоночных, в раннем палеоцене. Фетальная γ-цепь дивергировала от β-цепи самое большее 200 · 10⁶ лет назад, в самый начальный период истории млекопитающих. Наконец, δ-цепь (вариант β-глобина), входящая в качестве минорного компонента в нормальный гемоглобин взрослого человека, дивергировала от β-цепи примерно 40 · 10⁶ лет назад. Гены α-цепей образуют небольшое мультигенное семейство из трех членов, а гены β-цепей - семейство из семи генов.

Рис. 10-4. Распределение генов α- и β-подобных глобинов человека. На шкале указана длина хромосомной ДНК в килобазах. Глобиновые гены изображены в виде прямоугольников. Черные поперечные полосы соответствуют кодирующим последовательностям, а белые участки-нитронам. Псевдогены (ψ) изображены в виде чисто белых прямоугольников. Транскрипция в направлении 5'–>3' идет слева направо (Efstratiadis, 1980).