Эмбрионы, гены и эволюция полностью

Можно возразить, что наш «средний» ген с его кодирующей последовательностью из 1500 нуклеотидных пар - недооценка, далекая от реальности. И в самом деле, существует несколько огромных генов. Например, Дейнхолт (Daneholt) и его сотрудники, а также Лемб и Дейнхолт (Lamb, Daneholt) изучали гигантскую РНК, синтезируемую в слюнных железах двукрылого Chironomus tentans. Эта РНК выходит из ядер в цитоплазму и, по-видимому, транслируется с образованием очень большой полипептидной цепи (молекулярная масса 850000). Она транскрибируется с участка ДНК, длина которого соответствует примерно 37 000 пар нуклеотидов. Однако у преобладающего большинства клеточных белков молекула в среднем состоит из 500 аминокислот, а цепи их мРНК-из примерно 2000 нуклеотидов. Избыточные 500 нуклеотидов слагаются из нетранслируемых начальных и хвостовых последовательностей на 5'-и 3'-концах мРНК. Но все же такие данные, как данные Шуи о длине транскрипционных единиц у дрозофилы, показывают, что подавляющее большинство транскриптов, из которых в результате процессинга получаются мРНК средних размеров, поставляются участками ДНК длиной в 10000-20000 нуклеотидных пар. Очевидно, кодирующая последовательность нетождественна всему гену в целом.

Впервые подозрения о том, что у эукариот геномы организованы иначе и сложнее, чем у прокариот, возникли в связи с экспериментами Хойера, Маккарти и Болтона (Hoyer, McCarthy, Bolton), проведенными в начале 60-х годов. В этих экспериментах цепи ДНК разделяли нагреванием, после чего иммобилизовали разобщенные цепи в агаровом геле. Затем к этим иммобилизованным цепям ДНК добавляли цепи, меченные изотопами. Меченные цепи, комплементарные немеченым цепям, иммобилизованным в агаре, образовывали с последними гибриды, которые можно было обнаружить по связанной радиоактивности. Хойер и др. использовали этот метод для определения эволюционного родства между ДНК различных организмов. Их эксперименты выявили гомологию геномов у широкого круга позвоночных - от лосося до человека, причем, как и следовало ожидать, наиболее гомологичными оказались геномы близкородственных видов. Результаты этих экспериментов вызвали большой интерес, как провозвестники исследования эволюции на геномном уровне.

Для того чтобы произошла гибридизация ДНК (представляющая собой реакцию второго порядка), необходимы столкновения двух комплементарных цепей. Реассоциация одиночных цепей, присутствующих в концентрации С, описывается уравнением

где t - время, а k - константа скорости реассоциации. Если начальную концентрацию одноцепочечной ДНК при t = 0 обозначить С₀, а концентрацию одноцепочечной ДНК, сохранившейся к моменту времени t , как С, то, проинтегрировав это уравнение, получим

Когда реакция наполовину завершена,

C₀t - удобная величина, позволяющая выразить главный параметр (произведение начальной концентрации ДНК на время реакции), от которого зависит степень завершения реакции. В случае геномов прокариот, которые состоят почти исключительно из уникальных последовательностей, значение C₀t_1/2 служит мерой относительной величины геномов. Эта зависимость показана на рис. 11-2. Эксперименты Хойера и его сотрудников не должны были дать результатов, потому что геномы позвоночных, на которых они проводились, были гораздо больше любых геномов прокариот. Если бы каждая последовательность была уникальной, то вероятность встречи двух комплементарных цепей была бы значительно меньше, чем для небольшого бактериального генома, а скорость реакции была бы соответственно ниже. Между тем скорости реакции для ДНК позвоночных оказались выше, чем для ДНК бактерий. Дело здесь в том, что у эукариот значительная часть ДНК состоит из повторяющихся последовательностей. Такие последовательности могут содержаться в ней в сотнях или даже тысячах копий; так, в препаратах, исследовавшихся Хойером и др., их концентрация была очень высокой. Более совершенные методы дают возможность изучать как уникальные, так и повторяющиеся последовательности эукариотических ДНК. Кривые реассоциации для эукариотических ДНК сильно отличаются от кривых для ДНК прокариот (рис. 11-3). В то время как в случае бактериальных ДНК имеют место простые реакции второго порядка, реакции ДНК теленка носят более сложный характер, выявляя наличие в ней как быстро реагирующих повторяющихся последовательностей (низкие C₀t), так и медленно реагирующих уникальных последовательностей (высокие C₀t).

Рис. 11-2. Зависимость значений C₀t_1/2 от количества ДНК во фракции уникальных последовательностей для геномов разных животных. (Данные по фагу Т4, Е. coli и теленку - Britten, Kohne, 1968; по дрожжам - Hereford, Rosbash, 1977; по морскому ежу - Angerer et al., 1976; по Aplesia (моллюск) - Angerer et al., 1975; по дрозофиле - Davidson et al., 1975; Manning et al., 1975.)