Академик РАЕН профессор Владимир Борисович Захаров БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ

Биологическая эволюция - необратимое и в известной степени направленное историческое развитие живой природы. 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 - факторы и процессы внутривидовой дифференциации популяций, завершающиеся видообразованием; • Макроэволюцию – надвидовую эволюцию приводящую к формированию органов, аппаратов и систем, выполняющих определенные функции, а также к становлению новых надвидовых таксонов (семейств, отрядов и др. )

Дивергенция на надвидовых уровнях

Основные методы изучения эволюционного процесса 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

Горизонтальный перенос генов у Архей и Бактерий

Горизонтальный перенос генов между таксонами

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

Гены митохондрий, пластид и симбионтов (А. В. Марков и А. М. Куликов Палеонтологический журнал, 2005, № 4, с. 3 -18) Распределение белковых семейств в трех надцарствах живой природы. Площади кругов соответствуют количеству семейств белков, встречающихся у представителей каждого царства. 1157 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.

Функциональные спектры эукариотических белковых доменов - I 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.

Функциональные спектры эукариотических белковых доменов - II 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.

Единое геномно-информационное пространство БОЛЕЗНЬ ГЕН ЧЕЛОВЕКА ГЕН ДРОЖЖЕЙ ЧЕЛОВЕКА ФУНКЦИЯ ГЕНА ДРОЖЖЕЙ Наследственный неполипозный рак толстой кишки Репарация ДНК CFTR YCF 1 Устойчивость к металлам Болезнь Вилсона Коновалова WND CCC 2 Транспорт меди Атаксия телеоангиэктазия FTM TEL 1 P 13 киназа Миотоническая дистрофия DM YPK 1 S/T протеинкиназа Нейрофиброматоз (тип 1) мышь MSH 2 MLH Муковисцидоз нематода MSH 2 MLH 1 NF 1 IRA 2 Ингибирующий регуляторный белок дрозофила человек бактерии дрожжи 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 гены и гены пластид Группы организмов Размер генома (тпн) Гены, кодирующие белки Гены, кодирующие РНК Грибы 19 - 100 8 - 14 10 - 28 Одноклеточные 6 - 100 3 - 62 2 -29 186 - 366 27 - 34 21 - 30 16 - 17 13 4 - 24 Растения Животные Мт ДНК Митохондриальные геномы содержат гены, кодирующие белки, в основном комплексы I – IV, а также рибосомальные и транспортные РНК

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

Деградация геномов симбионтов и включение их генов в геном макроорганизма • 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

Интеграция геномов паразитов и хозяев • 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

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

Состав генома человека 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.

Дупликации наследственного материала Одним из ведущих механизмов, приводящих к появлению новых генов, является удвоение ДНК. В зависимости от размеров удваивающихся участков молекулярные генетики выделяют: внутригенные дупликации удвоение целых генов дупликации участков хромосом и некоторые другие При внутригенных дупликациях происходит удлинение гена и соответствующего ему белкового продукта. Например, повтор в экзонах гена Colla I трех кодонов усиливает α 2 -пептид коллагена I типа аминокислотами пролином-оксипролином-глицином, что обеспечивает плотную упаковку пептидов в коллагеновых волокнах.

Дупликации генов р. РНК привела к появлению множества кластеров таких генов: 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) 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, роста пролактина, плацентарного лактогена и др. пролактина

Дупликации наследственного материала • 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).

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

Регуляторные гены • 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.

Появление новых регуляторов 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: - у личиночно-хордовых (Ciona intestinalis) – 1 кластер из 9 генов; intestinalis - у позвоночных – несколько кластеров по 13 генов в каждом.

Территориальное распределение хромосом в интерфазном ядре Каждая из хромосом в нескольких местах связана с внутренней мембраной ядерной оболочки. 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.

Парамутации • Парамутации – 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. Фенотипическое проявление парамутации аллеля Pl 1 Rhoades. Слева — пурпурные пыльники (ген в «активном» состоянии, Pl-Rh), справа — светлые пыльники (ген в Пурпурная окраска стебля кукурузы «пассивном» свидетельствует об активной работе состоянии, Pl'). 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 www. sciencedaily. com)

РНК-интерференция • РНК-интерференция – механизм подавления экспрессии гена в результате комплементарного соединения малой интерферирующей РНК (mi. RNA и/или si. RNA) с и. РНК, подлежащей трансляции, и разрушение последней рибонуклеазами.

РНК-интерференция 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.

РНК-переключатели Связывание метаболита. Аптамер – детектор тиаминпирофосфата (ТПФ) после отсое. ТПФ динения от полимеразы принимает определенную конформацию. Связываясь с ТПФ, он ТПФ переходит в состояние с более плотной упаковкой и прочно удерживает метаболит.

РНК-переключатели 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, слева). При появлении ТПФ, он связывается с аптомером и участок, содержащий сайт инициации образует шпильку, блокируя трансляцию (а, справа). Рибопереключатель, связывающий кофермент флавинмононуклеотид (ФМР), образует шпильку, прерывающую транскрипцию РНК (б). Один из рибозимов в результате связывания с глутамин-6 -фосфатом

Метилирование ДНК • Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в комплементарной паре Ц-Г. Возникает репрессия транскрипции метилцитозинсвязывающими белками. • Влияние метилирования ДНК на структурно-функциональную организацию хроматина имеет большое значение для развития организма. Например, отсутствие метилцитозин-связывающего белка 2 (Me. CP 2) 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.

Основные механизмы горизонтального переноса генетической информации • Конъюгация – целенаправленная передача ДНК одним организмом другому. • Трансформация – захват клеткой «чужой» ДНК из внешней среды. • Трансдукция – горизонтальный перенос ДНК в составе вирусов, плазмид и МГЭ. • Перенос в симбиотических системах при физическом контакте клеток. • «Случайное» включение генов других организмов в ходе реапарации разрывов молекулы ДНК. • Половой процесс.

Горизонтальный перенос 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.

Горизонтальный перенос 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.

Открытие МГЭ Б. Мак-Клинток

Горизонтальный перенос - МГЭ 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); • Ген фермента (рибозим/энзим) теломеразы; теломеразы • Ген фермента транспозазы и его производные – гены семейства белков RAG (иммуноглобулины); • Ген PEG 10 – один из генов, обеспечивающих развитие плаценты (приобретен предками плацентарных около 60 млн лет назад), обусловливает удлинение эмбрионального развития – увеличение размеров мозга.

Механизм перемещения МГЭ

Горизонтальный перенос - МГЭ 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

Горизонтальный перенос - МГЭ Роль транспозонов: • Деятельность в роли генов транскрипционных факторов (ТФ); • Гены ТФ (THY 3 и FAR 1) транспортных белков фитохрома А (регулятор цветения)у Арабидопсиса; • Более 16% регуляторных последовательностей – участки МГЭ.

Горизонтальный перенос - МГЭ Ретропсевдогены (псевдогены) представляют собой ДНКкопию и. РНК, возникшую в результате обратной транскрипции, интегрированную в геном. Отсутствие промотора в подавляющем большинстве случаев препятствует траскрипции. Роль ретропсевдогенов: • Не изучена; • Нет промоторов; • Эволюционный тупик.

Пути образования псевдогенов

Потомки псевдогенов

Отключение генов путем псевдогенизации

Утрата генов • 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 ближайшим 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 MYH 16, принимающий участие в развитии жевательной мускулатуры. По мнению некоторых ученых это явилось одним из моментов, способствующих увеличению мозгового черепа и, следовательно, мозга. • Гены and 1 и and 2 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.

Альтернативный сплайсинг и наличие нескольких промоторов в кодирующей последовательности • 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 и. РНК, синтезированные на одном и том же гене. Такие и. РНК 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.

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

Альтернативные промоторы

Мутации • 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.

Благодарю за внимание Лауреат Премии Президента РФ в области образования Академик РАЕН профессор Владимир Борисович Захаров vb-zakharov@yandex. ru +7 985 9281842