Сопровождающееся Сопровождающееся: приобретением и утратой генов мутационная изменчивость изменением места и времени экспрессии и репрессии генов, изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, образованием и вымиранием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом. Механизм биологической эволюции включает : Микроэволюцию Микроэволюцию - факторы и процессы внутривидовой дифференциации популяций, завершающиеся видообразованием; Макроэволюцию Макроэволюцию – надвидовую эволюцию приводящую к формированию органов, аппаратов и систем, выполняющих определенные функции, а также к становлению новых надвидовых таксонов (семейств, отрядов и др.)

1. Палеонтологические ряды – ископаемые формы, связанные друг с другом в процессе эволюции и отражающие ход исторического развития. 2. Биогеографические методы. Сравнение флоры и фауны. Реликтовые формы. 3. Морфологические методы (сравнительно-анатомические, сравнительно-гистологические методы – внутренние сходство как показатель родства сравниваемых форм). 4. Гомологичные и аналогичные органы. 5. Рудиментарные органы, атавизмы указывают какая из сравниваемых гомологичных форм родоначальная. 6. Эмбриологические методы – выявление зародышевого сходства, принцип рекапитуляции. 7. Палеонтологические методы. Ископаемые переходные группы - формы организмов, сочетающие признаки более древних и молодых групп. 8. Генетические методы, методы биохимии и молекулярной биологии.

Микроэволюция Гены и признаки Материал для отбора

Около 80% генов в каждом прокариотическом геноме участвовали в процессе горизонтального обмена на том или ином этапе эволюции.

Распределение белковых семейств в трех надцарствах живой природы. Площади кругов соответствуют количеству семейств белков, встречающихся у представителей каждого царства белковых семейств – общие для представителей всех трех надцарств; 2372 встречаются только у эукариот; 831 имеются у эукариот и бактерий; 114 – характерны для эукариот и архей и т.д. (А.В.Марков и А.М.Куликов Палеонтологический журнал, 2005, 4, с.3-18)

Семейства архейного происхождения Семейства бактериального происхождения Распределение эукариотических белков архейного и бактериального происхождения по функциональным группам: 1 – синтез белка; 2 – редупликация, транскрипция, модификация ДНК и РНК; 3 – сигнальные и регуляторные белки; 4 – образование мембранных везикул; 5 – транспортные и сортировочные белки; 6 – метаболизм.

Домены, унаследованные от эндосимбионтов Домены, заимствованные у других бактерий Распределение эукариотических белков архейного и бактериального происхождения по функциональным группам: 1 – синтез белка; 2 – редупликация, транскрипция, модификация ДНК и РНК; 3 – сигнальные и регуляторные белки; 4 – образование мембранных везикул; 5 – транспортные и сортировочные белки; 6 – метаболизм.

Разные организмы имеют множество сходных генов, происходящих от общего предка, и поэтому функция гена в одном организме сходна с таковой у похожего по последовательности нуклеотидов гена в другом.

Митохондриальные геномы содержат гены, кодирующие белки, в основном комплексы I – IV, а также рибосомальные и транспортные РНК Мт ДНК

Amborella Amborella – примитивное цветковое растение из Новой Каледонии – рекордсмен по числу митохондриальных генов, заимствованных у других видов растений (24 гена).

Внутриклеточный симбионт тли – бактерия Бухнера (Buchnera) обеспечивает своего партнера аминокислотами, отсутствующими в рационе насекомого. Геном Бухнеры в процессе сожительства сильно упростился, однако сохранил гены теплового шока, кодирующие шапероны, препятствующие денатурации белка. Комплекс «тля – бактерия Бухнера» совместными усилиями синтезирует кофермент А: бактерия синтезирует пантотеновую кислоту, а затем тля из нее образует кофермент А. Кофермент-А

В геномах 4 видов насекомых и 4 видов круглых червей обнаружены значительные фрагменты генома паразитической бактерии Вольбахии; У одного из тропических видов Дрозофилы практически весь геном Вольбахии включен в хромосомы насекомого и активно экспрессируется. Бактерия Карсонелла (Carsonella) – внутриклеточный паразит листоблошек (Psyllidae) сохранила геном размером 160 тыс. п.н., утратив значительную часть генов и практически все некодирующие участки ДНК. Drosophila ananassae – вид, в геноме которого обнаружена копия генома Вольбахии

Нередко и паразиты, например Раффлезия, получают гены от своих хозяев. Так один из митохондриальных генов достался ей от лианы Tetra Tetrastigma.

Наибольший вклад в геном человека внесен транспозонами. Кроме этого значительное место занимают другие повторяющиеся последовательности: крупные дупликации и простые повторы. Неинформативные интроны составляют четверть генома. В настоящее время считают некодирующий белки и РНК наследственный материал важным для регуляции экспрессии генов и в создании сложной архитектоники хроматина.

Одним из ведущих механизмов, приводящих к появлению новых генов, является удвоение ДНК. В зависимости от размеров удваивающихся участков молекулярные генетики выделяют: При внутригенных дупликациях α2-пептид При внутригенных дупликациях происходит удлинение гена и соответствующего ему белкового продукта. Например, повтор в экзонах гена Colla I трех кодонов усиливает α2-пептид коллагена I типа аминокислотами пролином-оксипролином-глицином, что обеспечивает плотную упаковку пептидов в коллагеновых волокнах. внутригенные дупликации удвоение целых генов дупликации участков хромосом и некоторые другие

Дупликации генов рРНК привела к появлению множества кластеров таких генов: Дупликации целых генов гормона роста пролактинаплацентарноголактогена Дупликации целых генов – не единственный способ возникновения новых генов. К аналогичным результатам приводит и удвоение части гена, удлиняющее исходный вариант и, следовательно, вызывающий появление другого гена и соответствующего ему признака. Примером новообразования генов таким способом может служить так называемое семейство генов гормона роста. Так, в результате дупликаций и мутаций из одного исходного гена возникли гены гормона роста, пролактина, плацентарного лактогена и др. у прокариот – 6 -7 у эвглены зеленой – 800 у мыши – 100 у кошки – 1000 У человека – около 200 (расположены группами в 13, 14, 15, 20 и в 21 хромосомах)

Сравнительный анализ геномов сумчатых и плацентарных млекопитающих показал, что с момента их дивергенции в Меловом периоде до 15% процентов генов у сумчатых и более 20% генов плацентарных млекопитающих претерпели одну или несколько дупликаций и дивергировали, дав начало новым семействам близкородственных генов. Крапчатая сумчатая куница (Dasyurus viverrinus). Каменная куница (Martes foina).

Дивергенция сайтов замен в парах β-глоби- ноых генов позволяет восстановить картину эволюции кластера у человека. Схема отражает время обособления кластеров гемоглобиновых генов.

Преобразования регуляторных генов, приводящих к изменению времени и места включения в работу (экспрессии) генов. Активация гена на более ранних этапах онтогенеза вызывает и усиливает прейотропный эффект гена и, следовательно, обусловливает большее число его проявлений в виде нескольких признаков и свойств. Точковая мутация в регуляторном регионе гена Duffy исключает транскрипцию и, следовательно, синтез поверхностного клеточного рецептора, необходимого для проникновения малярийного плазмодия в клетку и развития малярии.

В процессе эволюции млекопитающих разделение сумчатых и плацентарных в Меловом периоде Мезозойской эры сопровождалось возникновением более 20% уникальных некодирующих – регуляторных последовательностей у последних, которое в 20 раз превышало скорость появления структурных генов. Увеличение числа гомеозисных Hox – генов: Ciona - у личиночно-хордовых (Ciona intestinalis intestinalis) – 1 кластер из 9 генов; - у позвоночных – несколько кластеров по 13 генов в каждом.

Постоянно фиксированы на мембране теломерные участки всех хромосом (Т), которые располагаются на одном из полюсов, и центромерные районы (Ц), ассоциированые с мембраной другого полюса ядра. Иные регионы хромосом связаны с мембраной факультативно. Каждая из хромосом в нескольких местах связана с внутренней мембраной ядерной оболочки.

ПарамутацииПарамутации – устойчивое наследуемое состояние гена, возникающее в результате взаимодействия с другим вариантом аллеля, без изменения нуклеотидной последовательности. Сущность явления состоит в том, что активный аллель побывав в одном генотипе с неактивным аллелем, сам проявляет себя как неактивный. Пурпурная окраска стебля кукурузы свидетельствует об активной работе генов, участвующих в синтезе пигмента антоциана. В результате «парамутации» стебель может стать из пурпурного зеленым без изменения генотипа, то есть последовательности нуклеотидов в ДНК. (Фото с сайта Фенотипическое проявление парамутации аллеля Pl1- Rhoades. Слева пурпурные пыльники (ген в «активном» состоянии, Pl-Rh), справа светлые пыльники (ген в «пассивном» состоянии, Pl').

РНК-интерференцияРНК-интерференция – механизм подавления экспрессии гена в результате комплементарного соединения малой интерферирующей РНК (miRNA и/или siRNA) с иРНК, подлежащей трансляции, и разрушение последней рибонуклеазами.

В некоторых случаях интерферирующая РНК воздействует непосредственно на ДНК, вызывая репрессию одних и экспрессию других генов в течение длительного времени. На рисунке представлено изменение цвета венчика петунии с одинаковым генотипом в результате введения трансгена с интерферирующей РНК.

Связывание метаболита. Аптамер ТПФ ТПФ Аптамер – детектор тиаминпирофосфата (ТПФ) после отсое- динения от полимера- зы принимает опреде- ленную конформацию. Связываясь с ТПФ, он переходит в состояние с более плотной упако- вкой и прочно удержи- вает метаболит.

Механизмы действия переключателей. ТПФ Механизмы действия переключателей. Для регуляции синтеза белков рибопереключатели используют несколько стратегий. В отсутствии ТПФ сайт инициации трансляции остаётся доступным для рибосомы и синтезу белка ничто не препятствует (а, сле- ва). При появлении ТПФ, он связывается с аптомером и участок, содержащий сайт ини- циации образует шпильку, бло- кируя трансляцию (а, справа). Рибопереключатель, связываю- щий кофермент флавинмоно- нуклеотид (ФМР), образует шпильку, прерывающую транс- крипцию РНК (б). Один из рибозимов в результате связы- вания с глутамин-6-фосфатом запускает процесс саморасщепления (в).

МетилированиеДНКМетилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в комплементарной паре Ц-Г. Возникает репрессия транскрипции метилцитозин- связывающими белками. Влияние метилирования ДНК на структурно-функциональную организацию хроматина имеет большое значение для развития организма. Например, отсутствие метилцитозин-связывающего белка 2 (MeCP2) приводит к развитию у человека синдрома Ретта, характеризующегося психоневрологическими нарушениями и умственной отсталостью. Установлено, что количество метилированных остатков цитозина возрастает с увеличением размера генома и прямо пропорционально сложности организма.

КонъюгацияКонъюгация – целенаправленная передача ДНК одним организмом другому. ТрансформацияТрансформация – захват клеткой «чужой» ДНК из внешней среды. ТрансдукцияТрансдукция – горизонтальный перенос ДНК в составе вирусов, плазмид и МГЭ. ПереносПеренос в симбиотических системах при физическом контакте клеток. «Случайное» включение«Случайное» включение генов других организмов в ходе реапарации разрывов молекулы ДНК. ПоловойПоловой процесс.

Один из способов горизонтального обмена генами – вирусный перенос. Репродуктивные циклы ретровирусов и ретропозонов представляют собой чередование стадий прямой и обратной транскрипции. Образование инфекционных частиц, покидающих клетку и заражающих другие клетки характерно только для ретровирусов.

Ретровирусы Ретровирусы могут переносить клеточные последовательности. Гены ретровируса, встроившегося в геном предка узконосых обезьян свыше 40 млн. лет назад, экспрессируются в плаценте обезьян и человека: управление слияния клеток наружного слоя плаценты (симпласт); защита эмбриона от иммунной системы матери; защита эмбриона от вирусных атак путем блокирования рецепторов клеточной поверхности.

Роль ретротранспозонов: Перемещение ретротранспозонов по геному создает нестабильность (пластичность) наследственного материала; Увеличение частоты мутирования генов; Повышение уровня полиморфизма (увеличение частоты транслокаций в стрессовых ситуациях – рецепторы стресса); теломеразыГен фермента (рибозим/энзим) теломеразы; транспозазыГен фермента транспозазы и его производные – гены семейства белков RAG (иммуноглобулины); Ген PEG10 – один из генов, обеспечивающих развитие плаценты (приобретен предками плацентарных около 60 млн лет назад), обусловливает удлинение эмбрионального развития – увеличение размеров мозга.

Роль транспозонов: Перестройка генома хозяина Рекомбинация между инвертированными повторами меняет ориентацию вставки относительно геномного окружения Рекомбинация между прямыми повторами приводит к вырезанию фрагмента; каждый продукт рекомбинации имеет одну копию повтора

Роль транспозонов: Деятельность в роли генов транскрипционных факторов (ТФ); Гены ТФ (THY3 и FAR1) транспортных белков фитохрома А (регулятор цветения)у Арабидопсиса; Более 16% регуляторных последовательностей – участки МГЭ.

Ретропсевдогены (псевдогены) Ретропсевдогены (псевдогены) представляют собой ДНК- копию иРНК, возникшую в результате обратной транскрипции, интегрированную в геном. Отсутствие промотора в подавляющем большинстве случаев препятствует траскрипции. Роль ретропсевдогенов: Не изучена; Нет промоторов; Эволюционный тупик.

У возбудителя проказы Mycobacterium leprae, также как и у возбудителя чумы, при формировании современного генома имели место редукционные события двух типов: утраты функции генов за счёт их превращения в псевдогены и полной потери определённых сегментов генетического материала. Сравнение проводили с ближай- шим генетическим родственником возбудителем туберкулёза Mycobacterium tuberculosis. Согласно расчёту, возбудитель проказы в ходе редуктивной эволюции потерял около 2000 генов. В геноме человека выявлено более 50 генов, аналоги которых активно экспрессируются у шимпанзе и других человекообразных обезьян. Среди них ген MYH16, принимающий участие в развитии жевательной мускулатуры. По мнению некоторых ученых это явилось одним из моментов, способствующих увеличению мозгового черепа и, следовательно, мозга. Гены and1 и and2 обнаружены у костных рыб, а также у слоновой акулы (Callorhinchus milii) – древней хрящевой рыбы. Существование гена, кодирующего актинодин, у слоновой акулы показывает, что это древнее семейство генов позвоночных, которое у надкласса четвероногих исчезло или очень сильно изменилось. У наземных позвоночных таких генов просто нет. Из этого ученые сделали вывод, что гены имеют древнее происхождение, а в процессе выхода рыб на сушу утрачены за ненадобностью.

У более высокоорганизованных групп живых организмов в большей степени изменяется сам процесс реализации наследственной информации. В результате различного соединения экзонов он дает разные по последовательности нуклеотидов иРНК, синтезированные на одном и том же гене. Такие иРНК транслируются в неодинаковые белки – разные признаки. При изучении процессов реализации наследственной информации оказалось, что у круглого червя C.elegans альтернативный сплайсинг характерен лишь для 20% генов, в то время как у человека примерно 94% генома реализуется с участием этого процесса.

При альтернативном сплайсинге в различных ситуациях (на рис. – в различных тканях организма) сшиваются в зрелые иРНК неодинаковые экзоны, а иногда и интроны. В результате этого на основе информации, заключенной в одном гене, образуется несколько белковых продуктов.

мутационный процесс - постоянно действующий источник наследственной изменчивости.мутационный процесс - постоянно действующий источник наследственной изменчивости. Гены мутируют с определенной частотой. Подсчитано, что в среднем одна из 100 тыс. - 1 млн гамет несет вновь возникшую мутацию в определенном локусе. Поскольку одновременно мутируют многие гены, то 10-15% гамет несут те или иные мутантные аллели. Поэтому природные популяции насыщены самыми разнообразными мутациями.

Лауреат Премии Президента РФ в области образования Академик РАЕН профессор Владимир Борисович Захаров