Изохоры: происхождение
Происхождение GC-богатых изохор является спорным вопросом. Предметом спора является общая тенденция протяженных сегментов ДНК (30 kb или больше) быть либо GC-богатыми, либо GC-бедными, а не локальные вариации в GC-содержании , подобно тем, которые наблюдаются среди различных участков гена. Было выдвинуто предположение о том, что изохоры возникли за счет функционального преимущества ( Bernardi et al, 1985 , 1988 ). Основным аргументом в пользу этой гипотезы является то, что у теплокровных организмов увеличение GC-содержания может защитить ДНК, РНК и белки от воздействия тепла, поскольку G-C пары устойчивее, чем A-T. Эту гипотезу можно назвать селекционистской .
Вольф ( Wolf et al, 1989 ) предположил, что изохоры возникли за счет изменений в составе первичного нуклеотидного пула во время репликации ДНК зародышевых путей. Согласно его гипотезе GC-богатые изохоры находятся в участках ДНК, которые реплицируются в начале клеточного цикла, когда исходный нуклеотидный пул имеет высокое GC-содержание и, следовательно, повышается вероятность замен на GC. AT-богатые изохоры, с другой стороны, реплицируются в поздней стадии клеточного цикла, когда исходный пул имеет высокое содержание AT. Эта мутационная гипотеза основывается на тех фактах, что состав исходного нуклеотидного пула меняется в ходе клеточного цикла, и что подобные изменения могут на самом деле приводить к сдвигу соотношения оснований в заново синтезированной ДНК ( Leeds et al, 1985 ).
Аргументом в пользу селекционистской гипотезы является то, что увеличение в GC-содержании по первой и второй позициям кодонов может привести к повышению термальной устойчивости белков, тогда как увеличение по третьей позиции, в интронах и в нетранслируемых участках может приводить к увеличению стабильности первичных мРНК транскриптов и хромосомных структур. Действительно, в термофильных бактериях наблюдается предпочтительное использование GC-богатых кодонов . Однако, температура тела теплокровных гораздо ниже, чем та, в которой существуют термофилы, и, возможно, температура не является важным фактором эволюции белков и нуклеотидных последовательностей у теплокровных позвоночных.
У этой теории существует, по крайней мере, два слабых места: во-первых, значительное количество генов млекопитающих и птиц имеет низкое GC-содержание; во-вторых, некоторые дуплицированные гены имют различающееся GC-содержание. Например, у млекопитающих бета-глобиновый кластер GC-беден, тогда как альфа - GC-богат, несмотря на то, что два типа глобиновых генов экспрессируются в одних и тех же клетках в одно время и выполняют одинаковые функции. Сходным образом, некоторые гены иммуноглобулинов локализованы в GC-богатых участках, тогда как другие - в AT-богатых ( Aota, Ikemura, 1986 ). Бернарди ( Bernardi et al, 1985 , 1988 ) объясняет это различие тем, что изохоры представляют собой единицу отбора и альфа-кластер млекопитающих был транслоцирован в GC-богатую изохору, а бета-кластер остался в изохоре с низким GC-содержаним. Подобное объяснение, однако, ставит вопрос о функциональном преимуществе изохор с высоким GC-содержанием - если оно возникает не за счет генов, содержащихся в изохоре, то как оно возникает вообще?
Мутационная гипотеза может объяснить значительные различия в GC-содержании между альфа- и бета-глобиновыми кластерами, предполагая, что они локализованы в участках, реплицирующихся, соответственно, в начале и конце клеточного цикла. Но и эта гипотеза не лишена недостатков. Например, конститутивный гетерохроматин, такой как сателлитная ДНК , который наиболее GC-богат, и факультативный гетерохроматин, такой как инактивированная Х-хромосома, реплицируются в конце клеточного цикла.
В заключение следует сказать, что данных, доступных к настоящему времени, недостаточно, чтобы определить, какая из гипотез больше соответствует действительности.
