Повторы ДНК, мутации и изменчивость генома
Повторяющаяся ДНК - атрибут любой генетической системы. Еще на самых ранних этапах эволюции, когда возник почти полный репертуар полипептидов - носителей основных молекулярных функций (что-то вроде словаря генетического языка), им уже, по всей видимости была присуща внутренняя периодичность ( Ohno, 1981 , 1984 ; Go, 1983 ). Наличие олигомерных повторов в современных генах и белках объясняют тем, что вообще в любой информационной системе копирование текста - эффективное средство повышения помехоустойчивости при передаче сообщений . Применительно к генетическому языку существование внутригенных повторов резко снижает негативные эффекты таких ошибок, как сдвиги рамки трансляции, различные делеции и вставки ( Ohno, 1984 ). Действительно, белки, чьи гены содержат внутренние олигомерные повторы, также должны обладать периодичной первичной структурой. При этом длина полипептидного повтора будет зависеть от того, кратна ли трем длина соответствующего матричного повтора. Например, повторы из шести нуклеотидов будут порождать исключительно дипептидную периодичность, тогда как пентамерным повторам в гене должна отвечать периодичность той же размерности и в полипептидном продукте ( рис 1 ).
Но, пожалуй, самая интересная особенность таких повторов состоит в том, что они обеспечивают совпадение обеих периодичностей, нуклеотидной и аминокислотной, во всех трех возможных рамках трансляции ( Ohno, 1984 , 1987 ). Поэтому С.Оно и полагает, что еще в самом начале, на заре жизни, когда биохимическая машина трансляции работала с частыми сбоями и когда рамка считывания вряд ли была однозначно фиксирована, как раз такие повторы (длиной , не кратной трем) должны были иметь ощутимое селективное преимущество. В изрядном количестве олигонуклеотидные мотивы именно такой конфигурации присутствуют практически во всех проанализированных генах самых разных видов про- и эукариот. В принципе нельзя исключить, что по крайней мере некоторые из них сохранились с тех давних времен, т.е. являются своеобразными молекулярными реликтами.
Далее, спонтанно возникнув, даже сравнительно короткие повторенные участки существенно увеличивают вероятность дупликации (и автоматически - мультипликации) как их самих, так и тех сегментов генома, которые ими фланкированы ( Smith, 1976 ). Конкретные механизмы внутригеномного размножения повторов могут быть разными (неравный кроссинговер, скользящая гиперрепликация, обратная транскрипция и т.д.), но само размножение представляет собой типичный автокаталитический процесс ( Orgel, Crick, 1980 ; Doolitle et al., 1984 ; и др.). И хотя в целом ряде случаев количество повторов (например, МГЭ) регулируется по принципу обратной связи ( O'hare, Rubin, 1983 ; Simons, Kleckner, 1983 ; Snyder, Doolitle, 1988 ), хотя для любого вида организмов в норме имеются, по-видимому, и неспецифические селективные барьеры на пути "эгоистичного" распространения повторов по геному ( Бердников, Родин, Жарких, 1982 ; Rodin et al., 1985 ; Родин, 1985а,б ), для большинства современных организмов, в особенности эукариотических, характерна чрезвычайно высокая концентрация повторов практически на всех уровнях молекулярно-генетической организации.
У особого пристрастия, которое питают эволюционисты к повторенной ДНК, вполне серъезные причины. Только что отмечено, что дупликации повышают помехоустойчивость генетического языка. Однако, благодаря повторам достигаются и другие, прямо противоположные "цели".
Действительно дупликация генов основа - эволюционного процесса. Под прикрытием избыточности, через мутации и рекомбинации можно приобрести новую молекулярную функцию, не теряя старой ( Серебровский, 1938 ; Оно, 1973 ). Отбор в данном случае выступает в роли творческого, движущего фактора эволюции, формируя самые крупные информационные единицы генома - мультигенные семейства.
Однако, по существу, механизм генных дупликаций с последующей дивергенцией копий порождает скорее вариации одной и той же темы, нежели уникальные гены с принципиально новыми функциями. Поэтому, собственно, мы и говорим о мультигенных семействах. Подлинно новое возникает и фиксируется в эволюции чрезвычайно редко, и, похоже, максимально изобретательной природа была в самом начале пути, когда формировался первичный репертуар молекулярных функций. А далее наиболее щедрыми на новшества стали процессы рекомбинационной перестановки экзонов на уровне ДНК и соответствующих доменов на уровне белка ( Gilbert, 1978 ). Кроме того нельзя сбрасывать со счетов известный принцип: "новое есть хорошо забытое старое". По мнению Оно ( Ohno, 1984 , 1987 ), особенно перспективны в этом плане как раз те гены, которые сохранили древние олигомерные повторы с числом нуклеотидов, не кратным трем. Дело в том, что в таких генах при различных мутациях (делециях, вставках и заменах) значительно реже возникают стоп-кодоны, т.е. благодаря повторам существуют довольно протяженные альтернативные рамки считывания. Следовательно, вставки или делеции единственного нуклеотида может оказаться достаточным для того, чтобы открылась одна из этих рамок, и ген начал продуцировать совсем другой, "хорошо забытый" белок. Подобные события, возможно, не так уж и редки. С.Оно, например, специально проанализировал случай рекордно быстрого приобретения одним из штаммов Flavobacterium sp.K172 способности расщеплять нейлоновые полимеры в промышленных отходах. Оказалось, что в одном из генов плазмиды pOAD2 данного штамма, который кодировал аргинин-богатый белок длиной в 472 аминокислоты, произошла вставка тимидина и в результате открылась альтернативная рамка считывания - ген стал кодировать другой, неизвестный ранее белок несколько меньшей длины (392 аминокислоты) с новой субстратной специфичностью (Ohno, 1984). Таким образом, долгой мутационной доводки не потребовалось.
Однако, как выясняется теперь, и это далеко не все. Одним из неожиданных откровений молекулярной генетики последних лет явилось установление того факта, что в основе не только достаточно крупных геномных изменений (дупликаций, делеций и инсерций порой довольно длинных фрагментов; рекомбинаций - равных и неравных, "законных" и "незаконных"; внутри- и межгенных конверсий; любых вариантов транспозиций, хромосомных перестроек), но и предельно локальных, "точковых" мутаций типа замены нуклеотидов лежит универсальный молекулярный механизм, базирующийся на взаимодействии между комплементарными прямыми и инвертированными, тандемными и дисперсными повторами разной протяженнности, структуры, локализации в геноме и разного происхождения ( Streisinger et al., 1966 ; Blake, 1983 ; Albertini et al., 1983 ; Колчанов, Соловьев, 1985 ; Салганик и др., 1986 ; и др.).
