Согласованная эволюция мультигенных семейств
Эукариотические виды содержат множество мультигенных семейств, таких как структурные белки, участвующие в образовании и сегрегации хромосом, белки ядерного матрикса, все функционально важные РНК, участвующие в генном сплайсинге, процессинге РНК и механизме трансляции и многие другие ( Dover and Flavell, 1984 ). Число копий генов в различных семействах может сильно варьировать. Например:
____________________________________ * Гены * Копийность * Гомология * ____________________________________ * 18SРНК * 100-1000 * 97-100% * * 5SРНК * 100-1200 * 97-100% * * гистоны * 10-1200 * 87-99% * * тРНК * 6-400 * -- * * Ig * 100-1000 * 30-100% * _____________________________________( В.Ратнер и др., 1985 )
В десятках исследованых мультигенных семейств наблюдается парадоксальная на первый взгляд картина: сходство последовательностей генов из какого-либо определенного семейства у одного вида гораздо выше, чем между членами того же семейства у разных видов. Это явление получило название согласованной эволюции последовательностей в мультигенных семействах. Наиболее хорошо феномен согласованной эволюции был показан на примере генных семейств иммунной системы, рибосомальных РНК, малых ядерных РНК, гистонов и глобинов. Подобное явление наблюдалось так же в десятках других мультигенных семейств, независимо от их размеров, функции и хромосомной локализации ( Dover, 1986 ).
Проблему согласованной эволюции повторяющихся последовательностей легко можно уяснить из следующего примера. У двух близкородственных видов шпорцевой лягушки (Xenopus laevis и Xenopus muelleri) гены рРНК тандемно повторены около 500 раз внутри хромосомы и каждый повтор содержит гены 18S- и 28S-РНК и спейсеры. Межвидовое сравнение показывает, что гены 18S- и 28S-РНК в повторах идентичны, тогда как спейсеры сильно дивергировали. Это говорит о функциональной (и селективной) значимости генов и меньшей значимости спейсеров. Однако внутри каждого вида спейсеры имеют почти одинаковую структуру. Каким же образом большинство генов семейства в большинстве особей достигают такого высокого уровня идентичности, несмотря на то, что они постоянно подвергаются независимому мутационному процессу?
Для объяснения внутривидовой гомогенности повторов можно привлечь несколько механизмов. Механизи отбора в этом случае сомнителен, а вот три других - неравный кроссинговер, генная конверсия и проскальзывающая репликация - вполне реалистичны и имеют достаточное экспериментальное обоснование.
Так, последовательная серия митотических неравных кроссинговеров между сестринскими хроматидами вполне может распространить какой-либо ген по всему семейству:
1 2
3 4 5
; Априорно ясно, что подобная "кроссоверная" фиксация
произойдет только лишь в том случае, если вероятность неравного кроссинговера, приводящего к
дупликации одного гена (и реципрокной делеции другого), превышает
вероятность мутиования. Впервые это было показано путем моделирования
параллельной эволюции на ЭВМ методом Монте-Карло (
Smith, 1976 ). Нетрудно заметить, что процесс формально эквивалентен
случайной фиксации одного из нейтральных аллелей в популяции конечного размера,
поэтому для его описания можно использовать аппаратом теории марковских,
процессов, в частности диффузионным приближением (
Ohta, 1982 ), что позволяет оценить среднюю скорость кроссоверной
фиксации и ряд других параметров. Однако процесс чисто кроссоверной фиксации не учитывает мутационную дивергенцию семейств, мейотическую рекомбинацию, случайный дрейф гамет и различные режимы отбора. Ясно, например, что в любом ряде тандемных повторов чем ближе расположены повторы, тем позже они произошли от предкового повтора путем неравного кроссинговера и, следовательно, тем меньше успели накопить мутационных различий ( Kimura, Ohta, 1979 ).
Г.Доувер ( Dover, 1986 ) на основе моделей проанализировал множественные спейсеры в кластерах генов рРНК для группы видов дрозофилы melanogaster. Например, кластер рРНК насчитывает порядка 200 копий. Пусть гомогенизация идет только за счет неравного кроссинговера между сестринскими хроматидами, а количество повторов колеблется в пределах 10% от среднего. Тогда для гомогенизации одного кластера требуется 103 -104актов неравного кроссинговера. Если положить среднюю скорость неравного кроссинговера равной 3*10-4на генерацию, то на внутригеномную гомогенизацию уйдет не менее 107 генераций. Среднее время фиксации соответствующей хромосомы в популяции путем случайного дрейфа равно 4N генераций (N - численность популяции). Если N e 107 , то длительность суммарной фиксации определяется преимушественно темпами гомогенизации кластера, т.е. равна ~107 поколений, или ~106 лет (если считать, что у дрозофилы за год сменяется 10 поколений). Drosophila melanogaster и Drosophila simulans дивергировали примерно 1 млн. лет назад, поэтому процессы неравного кроссинговера и дрейфа следует считать недостаточными. Конечно, фиксацию может ускорить направленный отбор в пользу отдельного повтора, но в случае некодирующих спейсеров эта гипотеза нереалистична. Отсюда Доувер заключил, что помимо отбора, дрейфа и неравного кроссинговера должен существовать еще один процесс, - так называемый молекулярный драйв (molecular drive) - процесс, посредством которого мутации распространяются как внутри генома среди генов мультигенного семейства (гомогенизация), так и внутри популяции среди особей, ее составляющих (фиксация). Молекулярный драйв, по существу, это последовательность различных событий, основанных на различных механизмах нереципрокного переноса ДНК внутри одной хромосомы и между хромосомами: генной конверсии, транспозициях, проскальзывающей репликации и РНК - опосредованном переносе.
Все эти механизмы различными путями могут вызывать потерю или приобретение нового варианта гена в течение жизни индивида, приводя к неменделевским сегрегационным соотношениям. Постоянные потери или приобретения такого рода могут привести к случайному распространению одного из вариантов гена как внутри семейства, так и внутри популяции. Поскольку скорость, с которой новая мутантная копия гена может образоваться у отдельной особи, гораздо ниже (10-2 - 10-5 ), чем скорость половой рандомизации хромосом между поколениями, то среднее число копий мутантного гена у отдельной особи в популяции может варьировать от нуля до полной гомогенизации. Вероятность и время гомогенизации будут зависеть от размера популяции, генного семейства и скоростей нереципрокного обмена, причем они могут резко измениться, если существует какая-либо "избирательность" механизма переноса "в пользу" определенного генного варианта.
Аргументируя свою теорию, Г.Доувер рассматривает множество примеров эволюции мультигенных семейств, котороых наиболее интересным из которых является случай компенсаторных мутаций в генах рибосомальных РНК.
Вероятность фиксации второй мутации, компенсирующей дефект первой, в случае одного локуса очень мала. Казалось бы, что же тогда говорить о мультигенном семействе - ведь если мутация возникает в одном из генов семейства и затем компенсируется, то как новая комбинация становится преобладающей? Исходя из теории молекулярного драйва был предложен следующий "сценарий" эволюции в семействах рРНК ( Hancock et al, 1988 ).
Сначала мутантный ген с одиночной некомпенсированной заменой "под прикрытием" нормальных членов мультигенного семейства может распространиться по семейству путем, например, повторенных актов неравного кроссинговера. Общее число копий гена с одиночной заменой в популяции резко возрастает до некоторого предела. В результате данный вариант становится гораздо больей "мишенью" для дальнейших мутаций, что увеличивает на много порядков вероятность возникновения в одной из этих копий вторичной компенсаторной замены. Например, если число копий мутантного гена у каждой особи становится равным 100, а популяция состоит из 10000, то вероятность компенсаторной мутации (как и любой другой) возрастает в 106 раз.
При рассмотрении данного сценария возникает следующий важный вопрос: на какой стадии начинает действовать естественный отбор? По мнению Г.Доувера, здесь важно учесть те факты, что, во-первых, сайты, в которых возникают компенсаторные мутации, важны лишь для сохранения каркаса вторичной структуры и не вовлечены в какие-либо другие взаимодействия, и, во-вторых, существуют доказательства того,что стебли, формирующие вторичную структуру, могут оставаться стабильными даже при наличии локальных нарушений спаривания. Тем самым обеспечивается необходимая "гибкость" системы. Поэтому вид может существовать, имея определенное число неспариваний в рРНК, как бы в ожидании компенсаторной мутации. Можно предполагать, что большинство генов рРНК у любой особи кодируют рРНК, близкие по числу неспариваний к некоторому пределу жизнеспособности, при превышении которого и начинает действовать естественный отбор. Другими словами, компенсаторные мутации можно рассматривать как своеобразный механизм репарации нарушений вторичной структуры, обеспечивающий сохранение функционально-активных РНК ( Hancock et al, 1988 ).
