Различия в последовательностях аминокислот

Слайд 3.

Сходства и различия в последовательностях аминокислот в полипептидных цепях гомологичных белков, принадлежащих разным видам, могут служить определённой и количественной мерой степени молекулярной дифференциации. Сейчас уже собрано множество данных о гомологичности молекул гемоглобина, миоглобина, цитохрома с, иммуноглобулина и других белков.

Дыхательный фермент цитохром с — локализован в митохондриях эукариотических организмов и очень удобен для сравнительно-биохимических исследований представителей разных типов и разных царств. В табл. 32.2 приведены некоторые данные относительно молекулярных различий по цитохрому с. Человек служит эталоном. Здесь можно отметить общую корреляцию между молекулярными различиями и степенью филогенетического родства.

Слайд 4.

На молекулярном уровне процесс эволюции связан с изменением состава нуклеотидов (в ДНК и РНК) и аминокислот (в белках). На современном этапе развития молекулярной биологии можно анализировать число различий в последовательностях элементов нуклеиновой кислоты или белка разных видов, судить по этому показателю о степени их отличий. Поскольку каждая замена аминокислоты в белке может быть связана с изменением одного, двух или трех нуклеотидов в молекуле ДНК, компьютерными методами можно вычислить максимальное и минимальное число нуклеотидных замен, необходимых для замещения аминокислот в белке.

Получаемая таким образом информация поддается дальнейшей количественной оценке: при сравнении ряда организмов можно установить и степень различий (меру эволюционной дивергенции) макромолекул. Другое важное преимущество изучения эволюции методами молекулярной биологии – возможность сравнения сколь угодно далеких организмов – растений и животных, грибов и микроорганизмов. На рисунке показан результат изучения филогенетических отношений 20 различных организмов на основе определения минимального числа возможных нуклеотидных различий между генами, кодирующими синтез белка цитохрома С. Можно видеть, что в общем эти данные хорошо совпадают с выводами классической систематики. Сейчас построены многие сотни филогенетических деревьев макромолекул.

Молекулярный филогенетический анализ сегодня стал одним из главнейших методов выяснения филогенетических взаимоотношений групп, особенно для бактерий. Научная таксономия последних вообще невозможна без учета молекулярных данных.

Другим методом изучения эволюционного процесса на молекулярном уровне является метод гибридизации. Методы гибридизации ДНК состоят в смешивании одноцепочечных фрагментов ДНК, полученных от двух разных видов. Доля в смеси общей ДНК, которая воссоединяется, образуя двухцепочечные спирали, и скорость воссоединения служат мерами степени генетического родства между данными видами. Этим достигается количественная оценка эволюционных изменений, происшедших со сравниваемыми видами. ДНК человека оказывается гомологичной ДНК макаки на 66%, быка – на 28, крысы – на 17, лосося – на 8, бактерии кишечной палочки – на 2 %.

Слайд 5.

Существуют различные способы измерения и выражения средней скорости изменения белковых молекул. Дейхоф использует для этого число фиксированных точковых мутаций на 100 аминокислотных остатков (РАМ-единицы) за 100 млн. лет. Кимура выражает скорость изменения как число аминокислотных замен на одно положение за один год.

Для каждого белка характерна своя определённая скорость изменения. Различные белки различаются по средней скорости эволюции. В табл. 32.5 приведены скорости, характерные для ряда белков млекопитающих. Гистоны очень консервативны. Цитохром с, инсулин и другие белки также довольно консервативны. В отличие от этих белков фибринопептиды обладают высокой скоростью эволюции — 90 РАМ-единиц за 108 лет. Гемоглобин занимает промежуточное-положение.

При сопоставлении степени молекулярной дифференциации по данному белку между разными филетическими группами со временем, прошедшим после их дивергенции, обычно обнаруживается хорошая корреляция между изменением на молекулярном уровне и временем. Это можно проиллюстрировать на примере α-цепи гемоглобина у позвоночных (табл. 32.6). График зависимости числа аминокислотных замен от времени имеет вид прямой линии, из которой несколько выпадают только данные для курицы.

На основании подобных данных была сформулирована доктрина о постоянстве скоростей молекулярной эволюции, утверждающая, что для любого данного типа белка скорость изменения постоянна или почти постоянна во времени.

Однако по мере распространения исследований скоростей молекулярной эволюции на другие виды макромолекул и группы организмов стали выявляться примеры непостоянных скоростей.

Слайд 6.

Общая концепция молекулярной эволюции сформулирована в виде следующих эмпирических правил (М. Кимура):

ü Скорость эволюции любого белка, выраженная через число аминокислотных замен на сайт в год, приблизительно постоянна и одинакова в разных филогенетических линиях, если только функция и третичная структура этого белка остаются в основном неизменными

ü Функционально менее важные молекулы и их части эволюционируют (накапливая мутационные замены) быстрее, чем более важные.

ü Мутационные замены, приводящие к меньшим нарушениям структуры и функции молекулы (консервативные замены), в ходе эволюции происходят чаще тех, которые вызывают более существенное нарушение структуры и функции этой молекулы.

ü Появлению нового в функциональном отношении гена всегда должна предшествовать дупликация гена.

ü Селективная элиминация вредных мутаций и случайная фиксация селективно нейтральных или очень слабо вредных мутаций происходят в ходе эволюции гораздо чаще, чем положительный дарвиновский отбор благоприятных мутаций.

Слайд 7.

Концепция нейтральности утверждает:

• Большинство эволюционных изменений на молекулярном уровне обусловлено не дарвиновским отбором, а случайным дрейфом селективно нейтральных или почти нейтральных генов. (Но эта концепция не отрицает роли естественного отбора в определении направления адаптивной эволюции).

• Большая часть внутривидовой изменчивости на молекулярном уровне нейтральна.

• Слово «нейтральный» используется здесь не в точном, буквальном своем значении; акцент делается на том обстоятельстве, что основными факторами молекулярной эволюции являются мутационный процесс и случайный дрейф генов.

Концепция была разработана Мото Кимурой в конце 1960-х годов.

Эта концепция в её современной формулировке утверждает, что «огромное большинство» молекулярных изменений, происходящих в процессе эволюции, селективно нейтральны или почти нейтральны. Это не означает, что затрагиваемые такими изменениями гены лишены функций. Функции у них могут иметься или могут отсутствовать. Идея состоит в том, что различные аллельные формы таких генов почти равноценны в селективном отношении. Не утверждает Кимура также, что все молекулярные изменения нейтральны; согласно его теории, нейтрально большинство таких изменений.

Рассматриваются два обширных класса молекулярных изменений: полиморфизм белков и замены аминокислот. Ни те, ни другие в большинстве случаев не контролируются отбором. Полиморфизм белков по большей части не поддерживается уравновешивающим отбором. Генетически обусловленные замены аминокислот в большинстве случаев подвержены действию дрейфа.

Кимура очень убедительно излагает теорию нейтральности. Вполне возможно, что многие молекулярные изменения нейтральны или почти нейтральны. Составляют ли они большинство или нет, ещё предстоит выяснить. Для того чтобы решить эту проблему, необходимо гораздо больше эмпирических данных. ДНК: кодирующие и некодирующие участки

Геномы высших организмов содержат большое количество избыточной ДНК. Известно, что количество ДНК на гаплоидный геном организма не имеет систематической связи со сложностью организма. К примеру,человеческая клетка содержит примерно в 700 раз больше ДНК, чем бактерияEscherichia coli, но клетки некоторых амфибий и растений содержат в 30 раз больше ДНК, чем клетки человека. Более того, геном разных видов амфибий может различаться по количеству ДНК в 100 и более раз.

Следующее соображение подтверждает мысль об избыточности генома высших организмов. В принципе, количества ДНК, содержащегося в геноме млекопитающих, достаточно,чтобы кодировать около 3 миллионов белков среднего размера (3 000 000 000нуклеотидов). Но так как степень мутаций устанавливает верхнюю границу числа необходимых генов организма, от которых зависит его выживание, то можно считать, что млекопитающие (и любые другие организмы) не могут быть построены более чем из 60 000 белков. Кроме того, даже кодирующие районы часто прерываются длинными участками некодирующей ДНК.

Главная функция генома - определять специфический синтез молекул РНК. Некоторые участки нуклеотидной последовательности ДНК копируются в соответствующую последовательность РНК, которая либо кодирует белок (если это мРНК), либо формирует"структурные" (транспортные) РНК - (тРНК), либо - рибосомные РНК (рРНК).Каждый район ДНК, продуцирующий функциональную молекулу РНК, представляет собой ген.

У высших эукариот встречаются гены размером около 100 000 нуклеотидных пар, а некоторые содержат даже больше 2 000 000 нуклеотидных пар (ген дистрофина); при этом для кодирования белка среднего размера (300-400 аминокислот) достаточно всего около 1 000 нуклеотидных пар. Большинство этой избыточной длины состоит из длинных участков некодирующей ДНК, интронов, которые прерываются относительно короткими сегментами кодирующей ДНК - экзонами.

Синтезированная с гена молекула РНК (первичный РНК-транскрипт) модифицируется с удалением интронных последовательностей в ходе превращения в молекулу мРНК в процессе сплайсинга РНК.

Каждый ген ассоциирован с регуляторными последовательностями ДНК, отвечающими за транскрипцию гена в определенное время и в определенном клеточном типе. В большинстве своем они являются вышерасположенными (в 5'-сторону) от сайта начала транскрипции РНК, но могут быть и нижерасположенными (в 3'-сторону) от сайта терминации транскрипции РНК, а также могут встречаться в интронах и экзонах.

После интенсивных обсуждений и многочисленных исследований, порождённых нейтралистской концепцией, интерес к ней в 1990-е годы заметно спал. Это произошло, во многом, из-за ограниченной применимости теории, поскольку серьёзный эволюционный прогресс по нейтралистскому сценарию потребовал бы огромных промежутков времени и непомерно больших количеств ДНК