Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 11-2.Зависимость значений C 0t 1/2от 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.)

Рис. 11-3.Кинетика реассоциации ДНК для геномов бактерий и эукариот. Геном Escherichia coli состоит почти исключительно из уникальных копий, и его реассоциация описывается одной кривой второго порядка. Геном теленка содержит как повторяющиеся последовательности, которые быстро ренатурируют (при низких значениях C 0t), так и уникальные последовательности, которые ренатурируют медленно (Britten, Kohne, 1968).

Большинство структурных генов представляют собой уникальные последовательности, но нередко значительную часть геномов эукариот составляют повторяющиеся последовательности. Например, ДНК Xenopus, весьма типичная для Metazoa, содержит 54% уникальных последовательностей; 10% всей ДНК составляли семейства последовательностей, каждая из которых повторяется примерно по 100 раз, 31% - по 2000 раз и примерно 5% - свыше 10 5раз. Число семейств повторяющихся последовательностей очень велико: у Xenopus последовательности, повторяющиеся по 100 раз, распадаются на 18 000 различных семейств.

Члены данного семейства повторяющихся последовательностей близки, но не обязательно идентичны. Степень дивергенции между членами различна для разных семейств, как это показали Клейн и др. (Klein et al.). Геномы морских ежей, подобно геномам других эукариот, содержат несколько тысяч семейств повторяющихся последовательностей. Клейн и его сотрудники изучали клоны рекомбинантной ДНК представителей 18 различных семейств последовательностей, в которых число повторяющихся членов колебалось от 3 до 12500. Эти клоны гибридизовали с геномной ДНК и определяли стабильность гибридов в качестве теста на дивергенцию. У трех клонов дивергенция оказалась очень слабой, у семи - умеренной, а у восьми дивергенция в пределах их семейств оказалась очень сильной. Новые семейства повторяющихся последовательностей возникают, по-видимому, в результате внезапной репликации предсуществующей последовательности. Дивергенция членов данного семейства происходит путем замены нуклеотидов у отдельных членов, а степень дивергенции предположительно отражает возраст данного семейства. Мур и др. (Moore et al.) подвергли проверке эту гипотезу, используя клоны семейств повторяющихся последовательностей, выделенные из морского ежа Strongylocentrotus purpuratus. С помощью этих клонов измеряли величину соответствующих семейств последовательностей у S. purpuratus, S. franciscanus и Lytechinus pictus. По данным Дархема (Durham), два вида Strongylocentrotus разошлись около 10-20 млн. лет назад, а роды Strongylocentrotus и Lytechinus - 150-200 млн. лет назад. У отмеченных трех видов были найдены очень близкие семейства последовательностей, различавшиеся, однако, по частоте повторов. Так, например, у S. purpuratus одно семейство содержало 800 членов, у S. franciscanus - 80, а у L. pictus - только 8. Поскольку близкие семейства повторяющихся последовательностей обнаружены у видов, дивергировавших еще 150-200 млн. лет назад, эти семейства следует считать очень древними. Кроме того, в процессе эволюции различных видов в этих семействах, по-видимому, возникали независимые скачкообразные репликации, подобно возникновению повторяющихся последовательностей у приматов (см. рис. 3-2).

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.