Главная страница
qrcode

Механизмы и закономерности генетической изменчивостиВажные фамилии ученых


НазваниеМеханизмы и закономерности генетической изменчивостиВажные фамилии ученых
Дата20.12.2019
Размер3,57 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаevolution_theory_06_07.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипЗакон
#82262
Каталог

Механизмы и
закономерности генетической
изменчивости
Важные фамилии ученых:
Ларис, Дельбрюк, супруги Ледерберг,
Корогодин, Кернс, Ленски

Системы наследственности и изменчивости
В широком смысле – это любые системы, позволяющие изменять и накапливать информацию в ряду поколений.
1. Генетическая система – основанная на матричной репликации цепочек нуклеиновых кислот.
2. Надгенетические системы – основанная на любых иных способах сохранения и
передачи информации между поколениями.
В любой системе поиск решения какой-либо принципиально новой задачи начинается с перебора относительно случайных наборов возможных решений (изменчивость), из которых сохраняется и
передается далее наилучшее
(отбор
и
наследственность).

Генетическая изменчивость
Генетическая изменчивость складывается из мутационной и
комбинативной изменчивости.
Мутационная изменчивость реализуется в форме качественного и/или количественного изменения нуклеотидных последовательностей различной протяженности (от отдельного нуклеотида до целого генома).
Комбинативная изменчивость реализуется у эукариот при половом процессе (а у прокариот и вирусов иными механизмами) и подразумевает сочетание в конкретных генотипах различных вариаций генных последовательностей, имеющихся в генофонде популяции.
Генетическая изменчивость – это фактор-
поставщик эволюционного материала.

Основные вопросы:
1. Положение о случайности генетической изменчивости
2. Почему существует генетическая изменчивость
3. В каких формах выражается генетическая изменчивость
4. Где, когда и почему возникает генетическая изменчивость
5. Может ли клетка/организм управлять генетической изменчивостью
6. Как закономерности изменчивости отражаются на эволюции геномов

Модельные объекты исследований мутагенеза
1. Бактерии
2. Дрожжи
3. Раковые клетки
4. Быстро размножающиеся модельные животные и
растения
5. Геномы людей (в настоящее время мы имеем более 2000
полностью секвенированных геномов)
6. Геномы разных групп организмов (в настоящее время
прочитаны геномы сотен видов прокариот и эукариот)

Долгосрочный эволюционный эксперимент Ричарда
Ленски
(начат в 1988 г. – 12 исходных линий, сменилось более
60000 поколений бактерий)
http://elementy.ru/novosti_nauki/432161/

Эволюция антибиотикоустойчивости на
мегачашке (2016 г.)
http://elementy.ru/novosti_nauki/432829
Размер полигона
120 х 60 см
Время – 12 сут.

Типы мутаций
1) Точечные мутации SNP: замены (синонимичные, нонсенс-, миссенс-мутации), малые инсерции, делеции (со сдвигом, без сдвига рамки считывания).
Как возникают?
2) Структурные перестройки хромосом: делеции, инсерции
(в том числе транспозиции мобильных элементов), транслокации, инверсии, слияния и разрывы.
Как возникают?
3) Мутации типа вариаций числа копий CNV – для дуплицированных сегментов (охватывают фрагменты от нескольких нуклеотидов до сегментов в миллионы пар оснований с несколькими генами). Количество копий локуса может составлять от 0 до нескольких сотен.
Как возникают?
4) Геномные мутации = вариации числа хромосом
(полиплоидия, анеуплоидия)
Как возникают?

Точечные мутации.
Генетика меланизма и лейкизма
Американский медведь
Кермода

Хромосомные перестройки позволяют
строить гены комбинаторным способом
Из https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5291267/

В наше время подтверждена для всех исследованных геномов.
Гены, которые сформированы путем внутригеномной дупликации исходно единичного гена называются паралогичными.
Множество паралогичных генов (возникающие в результате многократных дупликаций) объединяются в генные семейства.
После дупликации генов, каждая из копий может:
• сохранить исходную функцию (испытывая отсеивающий отбор).
• утратить функцию (стать псевдогеном) в связи с прекращением действия отсеивающего отбора – это псевдогенизация.
• Накопить точечные мутации и приобрести новую функцию, которой не было раньше – это неофункционализация.
• Усилить одну из нескольких исходных функций под влиянием движущего отбора – это субфункционализация.
Дуплицированные копии разных генов могут обмениваться между собой фрагментами в результате хромосомных перестроек, образуя новые гены,
кодирующие белки с новыми комбинациями доменов.
Дупликации – основной источник новых генов
Теория Оно (1960)

Эволюционная история твердого скелета и др.
в связи с эволюцией генов семейства SCPP
SPARC – шаперон
коллагена

Гены семейства 7TM
(G-белок сопряженные рецепторы = GPCR)
Археи
1 гомолог – бактериородопсин
(светочувствительный протонный насос)
Участвует в фотосинтезе
Растения
1?
Одноклеточные предки животных
и грибов (Uniconta) – не менее 5
Социальные амебы
< 10
Грибы
10 - 100
Губки
> 100
Высшие животные
≈ 1000
Функции:
Световосприятие;
Обеспечение хемотаксиса;
Восприятие вкуса, запахов, феромонов;
Межклеточный сигналинг – рецепция
гормонов, цитокинов, нейротрансмиттеров
(контроль клеточных делений, миграций,
дифференцировок, апоптоза и пр.).

Функции:
Адгезия клеток на межклеточном матриксе и сцепление клеток между собой;
Связывание фермента с субстратом;
Межклеточная и внутриклеточная передача сигналов (управление поведением клеток в
эмбриональном развитии и во взрослом организме);
Иммунитет;
Взаимное опознание особей животных (родственников, больных и др.);
Взаимное узнавание и слияние сперматозоида и яйцеклетки;
Передача сигналов между матерью и плодом у млекопитающих.
Суперсемейство иммуноглобулинов
Бактерии и бактериофаги
1-2
Растения
?
Социальные амебы
> 50
Грибы
10 - 100
Млекопитающие
> 750
Хоанофлагелляты
1-2

Эволюция через дупликацию гена в
эксперименте на Salmonella enterica
http://elementy.ru/novosti_nauki/431917
Частота 10
-5
Из генома бактерий удалили ген TrpF
(необходимый для синтеза триптофана)
Среди культуры бактерий выявились мутанты, у которых в гене HisA (синтез гистидина) появились две мутации, позволившие ферменту с очень низкой эффективностью обеспечивать синтез триптофана, при некотором ухудшении основной функции. Бактерий разделили на несколько линий.
Через несколько сотен поколений в некоторых линиях появилось до 20 копий
HisA.
Через 3000 поколений появились ферменты-специалисты, при этом количество копий стало сокращаться. В некоторых линиях появились ферменты, эффективно выполняющие обе функции.

Мутабильность геномов
Средняя частота мутаций (точечных):
Эукариоты: 0,1-100 мутаций на геном за генерацию (в генеративных клетках).
Прокариоты: 0,003-0,01 мутаций на геном за генерацию.
Вирусы: 0,001-1 мутаций на геном за поколение.

Критическая частота ошибок репликации
= Порог Эйгена ( 1971)
Дарвиновская
эволюция
(эволюция посредством размножения с
неточным самокопированием и отбором) реализуема при условии, что частота мутирования за генерацию половых клеток менее 1 на геном.
Если этот порог оказывается превышен – в ряду поколений неминуемо мутационное вырождение, поскольку доля вредных мутаций всегда выше доли полезных. Если при каждом акте репликации появляется 2 или более ошибки, то, практически наверняка, большая доля этих мутаций будут вредными и сумма их вреда будет превышать пользу полезной мутации, а значит все потомки будут «слабее» своих родителей.
Почему для эукариот порог нарушается? Как объяснить разные зависимости между числом мутаций на генерацию и размером генома для вирусов/прокариот и для эукариот?
Порог Эйгена – актуальная проблема в теориях о происхождении жизни.

Частота разных типов мутаций в геноме
млекопитающих
Тип мутации
Частота
SNP (замены, индел мутации)
10
-7
– 10
-9
на нуклеотид на поколение
Мутации по микросателлитным
локусам (1-7 п.о)
N
10
-4
на локус на поколение
Мутации по минисателлитным
локусам (8-100 п.о)
N
10
-1
на локус на поколение
CNV (10
3
-10
6
п.о.)
N
10
-4
– 10
-6
на локус на поколение
Хромосомные перестройки
(делеции, инверсии,
транслокации)
10
-5
– 10
-6
на геном на поколение
Транспозиции
10
-1
– 10
-2
на геном на поколение
Анеуплоидия
10
-2
– 10
-4
на геном на поколение

Объяснение эволюции мутабильности
(гипотезы)
1) Отбор должен максимально повышать точность репликации, но есть физически обусловленный предел точности, который никогда не может составить 100 %.
Но частота мутаций различается у разных организмов + организмы имеют наборы
ДНК-полимераз с разной степенью точности.
2) Уровень мутабильности организма

компромисс между требованием достаточно высокой точности передачи генетической информации и достаточно высокой скорости репликации и клеточных делений.
3) Уровень мутабильности организма

компромисс между требованием достаточно высокой точности передачи ранее накопленной генетической информации и необходимостью успевать производить новую генетическую информацию,
приспосабливаясь к изменениям среды.
Но достаточно ли изменчива среда для такого отбора?

Гипотеза распространения мутаторного генотипа через механизм генетического
автостопа (соотбора) в периоды быстрого изменения требований среды.
Особи, которые благодаря повышенной мутабильности сумели выработать новый полезный признак, передают в потомство и свою повышенную мутабильность.
http://elementy.ru/novosti_nauki/432829/
4) Гипотеза «катастрофического отбора»
Те, кто выиграет в конкуренции за выживание

Рекомбинация и половой
процесс

1. Рекомбинация – один из ключевых механизмов репарации повреждений ДНК. Вероятность рекомбинации находится в прямой зависимости от гомологии цепочек ДНК.
2. На гомологичной рекомбинации основан кроссинговер, обеспечивающий перекомбинацию генов, представленных в генофонде популяции, создавая дополнительный (к мутациям) механизм увеличения разнообразия генотипов и фенотипов.
3. В то же время половой процесс работает и как важный механизм избавления от генетического груза.
Х
A B
Х
A B
Х
A B
Х
A B
Х
A B
Х
A B
Х
гаметы
гаметы
F1
кроссинговер
Норма
Новый генотип
Двойственная функция рекомбинации

Одна из гипотез предполагает, что появление полового размножения было обусловлено «интересами» геномных паразитов, которые таким образом шире распространяются в популяции (концепция
«эгоистичного гена»). Так, например, работают конъюгативные плазмиды у бактерий.
Однако половое размножение одновременно позволяет и избавляться от них посредством рекомбинации.
«Храповик Мюллера» (1931 г)
Бесполая популяция, в которой по какой-то причине возникла какая-то мутация, уже не сможет от нее избавиться в дальнейшем.
Каждая особь мутирует и часть этих мутаций вредны. Со временем каждая линия неизбежно будет накапливать вредные мутации и вырождаться.
Половой процесс позволяет создать очищенные
комбинации генотипов.
Храповик –
устройство, которое может вращаться только в одну сторону.

В экспериментальных работах с животными,
способными размножаться бесполым и половым
путем показано, что:
• Отбор работает на повышение доли полового размножения в условиях разнородной (переменчивой) среды, но на понижение в условиях однородной среды.
(эксперимент на
коловратках
http://elementy.ru/novosti_nauki/431453/
)
• Половое размножение поддерживается в присутствии паразитов, а в отсутствие паразитов преимущество получает бесполое размножение.
(эксперимент на улитках
http://elementy.ru/novosti_nauki/433000/
)
• Половое размножение ускоряет адаптацию к новым условиям, а в отсутствие полового размножения адаптация оказывается затруднена.
(эксперимент на нематодах
http://elementy.ru/novosti_nauki/431174
)

Рекомбинация происходит в «горячих точках»
Кроссинговер начинается со связывания специа- лизированного комплекса белков,
который распознает
специфические нуклеотидные последовательности (мотивы) в хромосомной ДНК, вносит разрез, и перекидывает нити.
Эти мотивы различаются у разных видов организмов и располагаются, в основном, в межгенных участках.
В человеческом геноме несколько сотен тысяч горячих точек рекомбинации,
но в
каждом мейозе задействуется лишь несколько на каждой хромосоме.
«Горячие точки рекомбинации» одновременно являются и
«горячими точками» мутаций. Почему?

Вероятный путь эволюции мейоза – вовлечение генов,
обслуживающих митоз (формирование веретена деления) и генов,
обслуживающих рекомбинационную репарацию
(обеспечение кроссинговера).
Вполне можно допустить, что на начальных стадиях эволюции эукариот плоидность не была настолько постоянной.
• В линиях опухолевых клеток плоидность бывает очень сильно нарушена, но они успешно размножаются.
• Синхронность внутриклеточных процессов возникает как результат появления в ходе эволюции общих включателей
(центральных регуляторов) изначально обособленных генных сетей.
Гипотеза происхождение мейоза и полового
процесса

Закономерности мутагенеза

Дарвин о случайности вариаций
Я до сих пор выражался так, будто вариации…были обусловлены случайностью.
Это выражение,
конечно,
совершенно неверно. Но оно помогает осознать наше незнание причины каждой отдельной вариации…В каждом случае имеются два фактора: природа организма – наиболее важный из двух, и свойства действующих условий.
(Происхождение видов. Глава V. Законы вариации)

Мутагенез – процесс генерирования новых мутаций.
Мутации случайны – что это значит?
В1. Они происходят в любом месте генома любой клетки в любой
момент
времени
с
равной
вероятностью,
независимо
от
воздействия среды (неправильный ответ).
В2. Мутации могут оказываться как полезными, так и
вредными,
у организма нет возможности генерировать
целенаправленно полезные мутации (более правильный ответ).
В 1926 г Мёллер показал мутагенное действие радиации на дрозофилл (Нобелевская премия). Чуть позднее было показано мутагенное действие некоторых химикатов.
Сегодня известно, что мутагенным может быть действие любого
стрессового фактора. Причем количество и локализация мутаций в
этом случае зависят и от действующего фактора и от типа клеток.
Случайность мутагенеза

Структура генома
Облигатные компоненты генома
Факультативные компоненты генома
Ядерные белок-кодирующие гены Дуплицированные гены
Ядерные гены некодирующих РНК
(рРНК, тРНК, регуляторные РНК)
Плазмиды
Митохондриальные гены
Мобильные элементы, профаги
Гены пластид (для растений)
Сателлитные повторы
Регуляторные участки ДНК
(регуляция транскрипции, сплайсинга,
3D структуры хромосом, сегрегации при
делении клеток)
Эндосимбионты (вирусные, бактериальные)
Облигатные компоненты в
разной степени консервативны.
Факультативные компоненты представляют собой наименее стабильную и наиболее вовлеченную в процессы генетической изменчивости часть генома.

Мутациям благоприятствуют:
1) различные типы повторов (могут благоприятствовать ошибкам при репликации и при гомологичной рекомбинации);
2) специфические структуры в
укладке
ДНК
и хроматина
(благоприятствуют появлению 1- и 2-цепочечных разрывов ДНК,
запускающих репарацию, включая негомологичную рекомбинацию);
3)
ковалентные модификации нуклеотидов
(метилирование и
дезаминирование по цитозиновым и аденозиновым остаткам);
4) гиперактивация транскрипции генов (1- и 2-цепочечные разрывы ДНК
из-за интерференции транскрипции и репликации);
5) повреждения ДНК и снижение точности репарации во время стресса.
Основные источники мутаций:
Погрешности в работе аппарата репликации, репарации, митоза и мейоза
+
активность мобильных элементов
+
работа специализированных ферментов.

Адаптация бактерий к повышенной температуре
115 линий, 2000 поколений (2012 г)
Распределение мутаций в геноме
В каждой линии закрепилось в среднем по 11 мутаций (в одной 73) , включая замены, инсерции, делеции, транспозиции мобильных элементов. Из них 80% полезных.
У каждой случайной пары линий совпадает 2,6% мутаций, но 20% мутировавших генов.
Неоднократно появились 82 из 119 крупных делеций!
http://elementy.ru/novosti_nauki/431746/

Сателлитные повторы – горячие точки
мутации с высокой обратимостью
Сателлитная ДНК – образована тандемными повторами нуклеотидных последовательностей (1-, 2-, 3- нуклеотидных или большего размера).
Часто локализованы в
гетерохроматине, но могут присутствовать в промоторных и кодирующих областях.
Изменение длины происходит с относительно высокой частотой (10
-4
) за счет «соскальзывания»» ДНК полимеразы во время репликации.
Изменение длины всегда кратно размеру единичного повтора и
с равной вероятностью идет в
сторону прибавления или утраты некоторого числа повторов –
следовательно, мутация легко обратима.

Изменение длины сателлитных повторов в промоторе может изменять регуляцию транскрипции гена; изменение длины сателлитных повторов в белок-кодирующей области может изменять конформационную укладку белка и его функциональность.
Механизм мутации количества тандемных повторов

Нетипичные структуры ДНК – возникают при
наличии в ДНК повторов
А – шпильки и крестообразные структуры, B – Z-структура, C и D – триплексные и квадруплексные структуры, E – смещения и выпетлёвывания.
В ответ на задержку процесса транскрипции или репликации активируются хеликазы и вносят 1- или 2-цепочечные разрывы

Мобильные элементы и их ферменты
1) МЭ типа вырезание→инсерция – фермент транспозаза
2)
МЭ
типа
транскрипция→обратная
транскрипция→инсерция

ферменты ретротранспозаза или обратная транскриптаза и интеграза.
Многие МЭ имеют излюбленные сайты инсерции.

Повторы как индукторы структурных
перестроек хромосом
Механизм – незаконная рекомбинация

Мобильные элементы как продукты и
инструменты эволюции
Мобильные элементы – сложные функциональные единицы, которые
- Обеспечивают синтез 1-3 белков (LINE, эндоретровиусы)
- Обеспечивают самокопирование
- Обеспечивают самовырезание из генома
- Обеспечивают собственную интеграцию в геном
- Обеспечивают регуляцию собственной активности (миРНК)
Мобильный элемент
Сайты связывания транскрипционных факторов
Промоторы
Сайты связывания факторов сплайсинга
Сайты полиаденилирования
Горячие точки мутации и рекомбинации

Функциональные следствия активности МЭ
1. Раздувание генома за счет насыщения МЭ.
2. Образование новых интронов.
3. Появление в геноме новых сайтов инициации транскрипции и трансляции,
терминации транскрипции,
сайтов полиаденилирования, сайтов связывания транскрипционных факторов (регуляция генов), альтернативных сайтов сплайсинга.
Именно так возникают новые гены внутри межгенных участков.
Здесь срабатывает принцип модульности в организации генома.
4.
Формирование дополнительных копий генов хозяина
(ретродупликации генов).
5. Освоение генами МЭ функций, полезных для хозяина
(молекулярное
одомашнивание:
так появились многие рецепторные гены,
некоторые важные гены плаценты млекопитающих, гены системы иммунитета.

Ковалентные модификации нуклеотидов
Метилирование, дезаминирование (спонтанное или ферментативное).
Образование участков с неспаренными основаниями запускает процессы репарации с участием точных или неточных полимераз.
Функции: 1) эпигенетическая регуляция активности генов; 2) гипермутация генов антител; 3) обезвреживание вирусов и мобильных элементов.

Могут ли организмы регулировать
появление мутаций?

Концепция природной генной инженерии
(Дж. Шапиро – американский микробиолог)
“Read-write genome”
1) Мутационный процесс (мутагенез) является не чисто генетическим процессом, но одним из разнообразных физиологических процессов клетки.
2) Как любой процесс клеточной физиологии, он требует для своей реализации специфических ферментов. Сюда входят разнообразные белки системы репарации, а также ферменты, обслуживающие перемещение мобильных элементов
3) Как любой физиологический процесс, он зависит от внешних
стимулов, управляется определенными регуляторами и нацелен на
адаптацию клетки и организма к среде.
4) В масштабе биосферного генофонда вирусы представляют собой
«внешний девайс» природной генной инженерии, обеспечивая горизонтальный перенос и мобилизацию геномов.

Спонтанный мутагенез
– мутагенез, неизбежно и постоянно сопровождающий процессы жизнедеятельности клеток и организмов.
Он представляет собой следствие:
 воздействия на ДНК повреждающих метаболитов и агрессивных излучений,
 спонтанной активности мобильных элементов и вирусов,
 спонтанных ошибок процессов репликации, репарации, рекомбинации и сегрегации хромосом во время митоза или мейоза.
Адаптивный
мутагенез

комплексная активная саморегулируемая реакция клеток на неблагоприятные факторы,
выражающаяся в повышении частоты мутаций в «правильное» время и/или в «правильном» месте генома, и направленная на приобретение новых полезных генетических адаптаций.
Спонтанный и адаптивный мутагенез

Флуктуационный тест Луриа и Дельбрюка (1943 г)
Справа Лурия, слева Дельбрюк
Работали в Америке.
Лурия мигрировал из Италии,
Дельбрюк из Германии.
Зачинатели работ с E. coli и бактериофагами.
Нобелевская премия 1969 г.

Флуктуационный тест Луриа-Дельбрюка (1943 г)
1) Выращиваем серию пробирок с жидкой культурой (по 10 клеток в каждой на старте)
2) Из каждой пробирки делаем высев на чашку с фагами
3) Оцениваем флуктуацию в числе колоний – она зависит от того, на каком этапе
(в какой генерации) возникла полезная мутация.

Опровержение адаптивного мутагенеза
Эксперименты Ледербергов (1951 г)
Вывод: устойчивые колонии были такими до попадания на среду с
пенициллином, а не приобретали нужную мутацию в процессе адаптации
Повторные реплики
дают одинаковый
результат.

Эксперименты по адаптивному мутагенезу
1. Корогодин Владимир Иванович (открыл репарацию)
Ильина В. Л., Корогодин В. И., Файси Ч.
Зависимость частоты спонтанного возникновения реверсантов разных типов у ауксотрофных по аденину дрожжей от содержания аденина в среде.
Генетика. 1987. 23(4): 637—642.
Korogodin VI, Korogodina VL, Fajszi C, Chepurnoy AI,
Mikhova-Tsenova N, Simonyan NV. On the dependence of spontaneous mutation rates on the functional state of genes. Yeast. 1991;7(2):105-17.
2. Cairns J., Foster P. L. Adaptive Reversion of a Frameshift Mutation in
Escherichia Coli. Genetics. 1991. 128(4): 695–701.
Показана учащенная реверсия к Lac(+) фенотипу у бактерий со сломанным геном утилизации лактозы при росте на среде, в которой отсутствуют иные питательные субстраты кроме лактозы.
Общий вывод: вероятность мутирования гена в стационарной фазе роста
клеток зависит от его транскрипционной активности.

Эксперимент Кейрнса на E. coli (1991)
• Бактерии содержали конъюгативную плазмиду с нерабочим геном утилизации лактозы из-за фрейм-шифт мутации.
• В неселективной среде средняя частота реверсии 10
-7
– 10
-8
(день 2)
• На селективной среде 10
-5
– 10
-6
(день 3-6)
• Частота реверсий зависела от наличия генов хеликазы traI, рекомбиназы RecA и неточной полимеразы PolIV, и от интенсивности транскрипции гена Lac.
Типы ревертантов: 1) инсерция/делеция; 2) амплификация гена Lac

Transcription associated genome instability
(ассоциированная с транскрипцией нестабильность генома):
• ТАМ = transcription associated mutagenesis (точечные замены, вставки, выпадения нуклеотидов).
• TAR = transcription associated recombination (делеции, инсерции, инверсии, транслокации участков хромосом).
• CNV = copy number variations (вариации числа копий генов).
Подтверждено на бактериях, дрожжах, культурах клеток млекопитающих.
Причина – высоковероятное возникновение двуцепочечных
разрывов в области избыточной активации экспрессии генов в
условиях стресса.
Мутации возникают в процессе репарации таких разрывов при
участии ферментов системы SOS репарации.
Связь мутационного процесса с функциональной
активностью генов

Интерференция транскрипции и репликации
при гиперстимуляции транскрипции
Транскрипция →
← Репликация
РНК-полимераза
ДНК-полимераза
В ответ на задержку процесса транскрипции и репликации активируются хеликазы и вносят 1- или 2-цепочечные разрывы

Изучение генома Bacillus subtilis
В лидирующей цепи 83% всех генов; 96% необходимых генов
Эволюционно гены лидирующей цепи более консервативны (схожи)
Эксперименты на восстановление функции гена синтеза гистидина:
Вероятность реверсии повышается при стимуляции транскрипции и
значительно повышается, если ген располагается в запаздывающей цепи.

Вероятность транслокации и слияния выше
между генами, которые транскрибируются
одновременно при участии одинаковых ТФ
Транскрипция генов происходит в центральной части ядра в
«транскрипционных фабриках», ‒ скоплениях транскрипционных факторов и молекул РНК-полимеразы.
DAPI
– краситель, окрашивающий
ДНК хроматина;
c-fos
– иммуноокрашенный транскрипционный фактор
RNA pol II
– иммуноокрашенная
РНК полимераза
Многие формы лейкозов обусловлены возникновением одной и той же транслокации у разных пациентов.

Гибридный противовирусный ген TRIM5-CypA
сформировался в эволюции приматов дважды
CypA – белок, связывающийся с белками капсида ретровирусов
TRIM5 – рестриктаза, щепящая геномы ретровирусов.
Гибридный белок получился путем пристраивания ретрокопии Cyp5 около гена
TRIM5. У широконосых обезьян рода Aotus и у макак возник независимо.

1. Функционально неодинаковые участки хроматина структурно различимы:
- по уровню компактизации
- по наличию метильных групп на цитозине (эукариоты)
- по специфическим модификациям гистонов (эукариоты)
- по присутствию транскрипционных факторов
Это позволяет ферментам,
работающим на
ДНК
(репарации,
рекомбинации,
репликации)
«понимать»,
где они находятся и
дифференцированно работать на функционально более значимых и менее значимых участках.
Было показано, что в функционально значимых участках ДНК-
зависимая ДНК полимераза движется медленнее и совершает меньше
(на 1-2 порядка) встраиваний ошибочных нуклеотидов.
Кроссинговер как правило проходит в межгенных участках.
Разметка хроматина как средство
управления процессами мутагенеза

Адаптивный мутагенез может быть:
• неспецифическим – общее повышение частоты мутаций;
при этом распределение вероятности возникновения мутации в разных участках генома все же не абсолютно равномерно.
• специфическим – изменения генома осуществляются строго в
определенном локусе при участии специализированных ферментов;
Формы адаптивного мутагенеза

SAPKs (stress-activated protein kinases)
СТРЕСС
Стресс-чувствительные
гены
Стресс-чувствительные
гены
Транскрипционные факторы
Повышение общего уровня изменчивости, связанное с:
• изменением компактности участков хроматина
• неточной репарацией
• рекомбинацией и перстройками в ДНК ,
• активацией мобильных элементов.

Эксперимент 2017 г. на E. coli
Бактерий растили на полноценной среде или в условиях дефицита одного из макроэлементов.
Cyc – циклосерин
IS – мутации по типу транспозиции
LI – мутации типа делеций/инсерций > 1 п.н.
SI – мутации типа делеций/инсерций = 1 п.н.
BPS – мутации типа нуклеотидных замен https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5464527/

Примеры специфического адаптивного мутагенеза
Организм
Назначение
Бактерии
Формирование противовирусного иммунитета (CRISPR/Cas система)
Инфузория
(формирование макронуклеуса)
Сшивание разбросанных фрагментов генов, элиминация некодирующих сегментов хромосом. Сборка генов происходит по образцу матричных РНК, полученных от материнской клетки.
Дрожжи
Переключение между a и α типами размножения.
Обеспечивается конверсией в MAT локусе.
Трипаносомы, другие патогенные микроорганизмы
Перестройка и гипермутация генов поверхностных белков для избегания иммунной супрессии со стороны организма- хозяина.
Млекопитающие
Формирование репертуара антител: реаранжировка + соматический гипермутагенез в вариабельных сегментах
Все группы
Увеличение (обратимое) копийности генов рибосом при необходимости увеличить интенсивность трансляции.

Вариация поверхностных антигенов
инфекционных микроорганизмов

Следствиями мутаций могут быть:
• Утрата генов.
• Появление дополнительных копий генов и дополнительных экзонов внутри гена – вследствие дупликаций.
• Изменение функциональной активности генных продуктов

вследствие замены аминокислот в белке (несинонимичные замены).
• Появление генов с новой функцией – вследствие образования химерных генов или накопления необходимых несинонимичных замен в предковом гене.
• Изменение уровня экспрессии генов (количества нарабатываемых продуктов гена – РНК и белков) – вследствие мутаций в регуляторных областях гена.
• Изменение паттерна экспрессии гена (ген работает в других тканях организма, в другом компартменте клетки, на другой стадии онтогенеза) – вследствие утраты или приобретения новых сигнальных последовательностей или из-за эффекта положения.

I. Механизмы, поддерживающие стабильность генотипа
(репарация, иммунитет и др.)
II. Механизмы, поддерживающие стабильность фенотипа на фоне
изменчивости среды и случайных мутаций (механизмы
помехоустойчивости).
III. Механизмы дестабилизации генотипа и фенотипа в условиях
стресса – то есть в условиях необходимости выработки новых
адаптаций.
IV. Факторы и механизмы, оптимизирующие локализацию
мутаций в обычных условиях и в ответ на конкретные факторы
среды (компактность хроматина, локализация генов и др.)
Группы механизмов, обеспечивающих возможность
оптимизации процессов эволюционного изменения
(эволюция механизмов эволюции)

Три режима эволюции генов и признаков

Эволюция геномов

Парадокс величины С: между уровнем сложности организации биологического типа и размером его генома (в нуклеотидах или в числе генов) нет хорошей коррелятивной связи.

«Геномная гармошка»
Евгений Кунин (американский ученый российского происхождения)
обосновал гипотезу о быстром разрастании и медленном
сокращении геномов. При этом выделяется 2 переменные стадии:
I.
Быстрое
(взрывное)
разрастание генома осуществляется посредством 1)‖множественных дупликаций генов и хромосом;
2) размножения «геномных паразитов» (мобильных элементов);
II. Медленный процесс оптимизирующих мутаций, в ходе которых часть геномных элементов теряется (делеции и т.п.), часть превращаются в
бессмысленные последовательности
(псевдогенизация), а часть специализируются или приобретают новые функции (субфункционализация и неофункционализация
генов).
Евгений Кунин (E. Koonin)
Книга «Логика случая» 2010 г.

Наш собственный геном наглядно
демонстрирует эту схему
Лишь 10% всей нашей ДНК зачем-то используются организмом. 90% - «чердачный хлам».
Вообразите писательский стол
Ящик для чистовиков
Ящик для хлама
(черновики и
неразобранная почта)
Время от времени этот хлам может пригодиться для вдохновения
«Черновики» – поломанные старые гены, лишние копии генов,
«неразобранная почта» – куски генома, полученные нами от
древних вирусов.

За счет чего же растет сложность у эукариот, если не за
счет увеличения числа белок-кодирующих генов?
Ответ: прежде всего, за счет усложнения сетевых взаимодействий, которое обеспечивается:
1) Усложнением комбинаторики экзонов (альтернативный сплайсинг);
2) Усложнением белковой структуры (рост среднего количества доменов в молекуле белка);
3) Увеличением числа генов регуляторных некодирующих РНК;
4) Усложнением регуляторных участков генов (большее число мотивов для связывания транскрипционных факторов в 1 гене);
5) Увеличением числа специализированных клеточных типов;
6) Увеличением разнообразия межгенных (межбелковых) и межклеточных взаимодействий.

Гены постоянно приобретаются и утрачиваются

Откуда берутся новые гены?
• Чаще всего – в результате дупликации и изменения
(точечные мутации, рекомбинации) уже существовавших генов – они становятся новыми членами генного
семейства.
• Путем горизонтального переноса от других организмов.
• Из участков ДНК, которые раньше были «генетическим хламом» (включая мобильные элементы или уникальные межгенные участки) – это «гены-сироты» (orphan genes).
Большинство «новорожденных» генов (генов-основателей семейств) относятся к самому корню эволюционного дерева живых организмов.

Эволюционно более молодые гены слабее
экспрессируются и чаще теряются
В то же время около 1/3 новых появившихся генов достаточно быстро
ассимилируются и становятся необходимыми для организмов.

Рекомендуемое чтение http://www.socialcompas.com/2016/12/25/o-proishozhdenii-genov-s-nulya/
(использовать для заполнения таблицы по типам мутаций в ДЗ к семинару)
http://biomolecula.ru/content/1136
http://biomolecula.ru/content/1477
http://biomolecula.ru/content/1506
http://www.nkj.ru/news/24961/
http://biomolecula.ru/content/600
http://elementy.ru/novosti_nauki/431898
http://elementy.ru/novosti_nauki/431746
http://elementy.ru/novosti_nauki/432435
http://elementy.ru/novosti_nauki/431917
http://elementy.ru/novosti_nauki/431302
http://elementy.ru/novosti_nauki/432412
http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431026
http://elementy.ru/news/430559
Кунин «Логика случая» (2010)

перейти в каталог файлов


связь с админом