Эмбрионы, гены и эволюция полностью

Семейства наиболее высокоповторяющихся последовательностей содержат миллионы копий, и их последовательности организованы довольно просто: основная единица состоит примерно из 10 тандемно повторяющихся нуклеотидных пар. Эти сателлитные ДНК, которые могут составлять до 40% генома, образуют кластеры в эукариотических хромосомах. Они обычно не транскрибируются и, по-видимому, обеспечивают лишь надлежащую организацию хромосом. Менее высокоповторяющиеся последовательности, которые мы обсуждаем, организованы совершенно иначе. Дэвидсон (Davidson) и его сотрудники впервые показали, что у Xenopus члены семейств умеренно-повторяющихся последовательностей разбросаны по всему геному между уникальными последовательностями. Длина повторяющихся последовательностей у этой лягушки соответствует в среднем 300 парам нуклеотидов, а длина уникальных последовательностей колеблется от 800 до 4000 пар. Как установлено рядом исследователей (литературу см. Levin 1980), подобная структура из «коротких повторов» часто встречается у таких различных организмов, как миксомицеты, высшие растения, медузы, двустворчатые моллюски, морские ежи и человек. Маннинг и др. (Manning et al.) обнаружили совершенно иной тип организации из «длинных повторов» у дрозофилы, у которой последовательности из 5600 нуклеотидных пар чередуются с уникальными последовательностями из более чем 13 000 пар. Сходную структуру из длинных последовательностей описали Крейн и др. (Grain et al.) для ДНК пчелы, однако такая организация генома свойственна не всем насекомым, так как у комнатной мухи (Diptera) обнаружена структура типа коротких повторов. У некоторых грибов и нематод «вкрапления» повторяющихся последовательностей, по-видимому, отсутствуют; это заставляет думать, что роли, приписываемые таким повторам на основе изучения высших Metazoa, возможно, свойственны не всем организмам.

Существование повторяющихся последовательностей между генами, состоящими из уникальных последовательностей, представляет значительный интерес, потому что они, возможно, обеспечивают интеграцию экспрессии уникальных генов. Модели Бриттена и Дэвидсона (Britten, Davidson) рассматриваются в гл. 12, но здесь о них следует упомянуть, потому что они были побудительной причиной большинства исследований, посвященных повторяющимся последовательностям. Эти модели были созданы для того, чтобы объяснить чрезвычайную стабильность и четкую определенность характера экспрессии структурных генов, наблюдаемую в дифференцированных тканях. Согласно этим моделям, комплекс структурных генов, экспрессирующихся в той или иной ткани, представляет собой «батарею» генов. Гены, экспрессируемые в такой батарее, не сцеплены физически; напротив, у эукариот они рассеяны по геному. Интеграция достигается при помощи сетки регулирующих последовательностей, с тем чтобы последовательности, примыкающие к комплексу структурных генов с уникальными последовательностями, могли распознавать некую общую интегрирующую последовательность. Эти примыкающие последовательности неизбежно должны быть повторяющимися.

Для того чтобы повторяющиеся последовательности могли нести интегративные функции, необходимо, чтобы они были расположены вперемежку со структурными генами, подвергались транскрипции и чтобы в разных тканях транскрипция повторяющихся последовательностей протекала по-разному, потому что разные типы структурных генов должны в конечном счете экспрессироваться в виде мРНК. Эти требования, по-видимому, удовлетворяются. Тот факт, что структурные гены, регулируемые в процессе развития, и повторяющиеся последовательности тесно перемешаны, установлен для генов β-глобинов. Шен и Маниатис (Shen, Maniatis) исследовали участок генома кролика длиной в 44 000 нуклеотидных пар, который содержит кластер из четырех генов β-глобина. Было обнаружено, что гены этой группы перемежаются с 20 различными повторяющимися последовательностями, распадающимися на 5 семейств. Оказалось, что к каждому глобиновому гену примыкает по бокам по крайней мере одна пара инвертированных повторов длиной в 140-400 пар нуклеотидов, а весь генный кластер фланкирован парой более длинных (1400 нуклеотидных пар) повторяющихся последовательностей, ориентированных в противоположных направлениях по отношению одна к другой (обращенных повторов).