Матричный принцип, как основа современной эволюционной

Матричный принцип, как основа современной эволюционной теории

Матричный принцип, как основа современной эволюционной теории

«…то, что конвариантная редупликация (идентичное воспроизведение), протекающая по определенным физическим законам, все-таки наличествует — во всяком случае на нашей планете, а по-видимому, и в космическом масштабе — лишь в связи с жизнью, ведет к тому, что логически вытекающий из принципа конвариантной Н. В. ТИМОФЕЕВ- редупликации принцип РЕСОВСКИЙ естественного отбора является действительно единственным всеобщим биологическим принципом» .

Два биологических макропринципа: • принцип отбора (специфически биологический); • принцип конвариантной редупликации (подлежит физическому объяснению). «… принцип естественного отбора … возможен только как следствие из принципов конвариантной редупликации и изменчивости редуплицируемых структур»

Элементарный эволюционный материал в СТЭ (Эпигенетическая)

• 1909 г В. Иогансен: наследственные факторы - гены. • Т. Морган: ген, являющийся частью хромосомы, мутирует как целостная структура и контролирует определённый признак организма. • Н. В. Тимофеев-Ресовский, М. Дельбрюк, К. Циммер, А. Серебровский и др. : с помощью воздействия ионизирующего излучения на мутационный процесс изучены размер, протяжённость, структура и делимость самого гена.

• Дж. Бидл и Э. Тейтем: предположение - один ген кодирует синтез одного фермента. • Дж. Уотсон и Ф. Крик: идентификация гена как участка молекулы ДНК, завершившаяся расшифровкой свойств самого генетического кода. • Ф. Жакоб и Ж. Моно: явление генетического контроля синтеза ферментов у бактерий - механизм регуляции активности генов. • С. Бензер и Ч. Яновский: наименьшей изменяемой единицей в пределах гена является пара нуклеотидов.

• Поток информации, записанной в ДНК, идёт от ДНК к информационной РНК, на основе которой затем синтезируется белковая молекула. • Этот поток является дорогой с односторонним движением: информация, попавшая в белок, оттуда не возвращается! Т. е. , не может быть синтезирована кодирующая последовательность ДНК на основе белковой последовательности аминокислот.

Прямые линии означают перенос информации, а круговые — воспроизведение молекул. Сплошные линии — процессы обычные, а штриховые — редкие для живых систем.

Центральная догма молекулярной биологии как отражение матричного принципа (Crick, 1958, 1970)

«Центральная догма» молекулярной биологии: • Генетическая информация, записанная в виде последовательности оснований ДНК, определяет последовательность оснований дочернего полимера — РНК, а та — последовательность аминокислот в белковой цепи. • Перенос информации возможен только от ДНК к белкам, но не в обратном направлении. Фактически „центральная догма“ — современный (молекулярный) аналог принципа А. Вейсмана о ненаследовании приобретённых признаков (Crick H. F. С, 1958)

Формирование молекулярной парадигмы в 60 -е годы прошлого века породило иллюзию, наиболее ярко отразившуюся во фразе-каламбуре Жака Моно: «What is true for E. coli, is true for E. lephant» ( «Что справедливо для кишечной палочки, справедливо и для слона» ) Принцип биологической универсальности дополняется принципом биологической специфичности

Прокариоты - оперонная организация генома Оперон — группа, имеющая общий регуляторный элемент. Гены, контролирующие биосинтез аминокислоты гистидина у бактерии Salmonella typhimurium (А), собраны в оперон, представляющий собой единицу регуляции. Все эти гены „переписываются“ на одну молекулу м. РНК, которая служит матрицей для синтеза отдельных белков-ферментов, которые и осуществляют все 10 этапов биосинтеза гистидина.

Эукариоты Эволюция генома идет по пути автономизации генов У хлебной плесени Neurospora crassa (Б) те же 10 этапов в биосинтезе гистидина кодируют несколько разных генов, разбросанных по разным хромосомам (группам сцепления) (Инге-Вечтомов, 1989, с. 479)

Вирусы - паразиты — перекрывание генов очень маленькие геномы, но большие информационные запросы Ген b находится внутри гена a, а ген e перекрывает часть гена d. Генетический код на одном и том же участке генетического материала считывается в разных фазах, т. е. со сдвигом Геном бактериофага φX 174, на один или два нуклеотида. паразитирующего на На одном и том же участке бактерии Escherichia coli. генетического материала можно закодировать два разных белка (Ф. Айала, Дж. Кайгер, 1988)

Тенденции в эволюции генома • Автономизация. • Олигомеризация. • Возникновение мозаичной структуры гена у эукариот (интроны и экзоны). • Эволюция происходит за счёт тиражирования (дуплицирования) существующих генетических структур и их дальнейшей дивергенции. Блочный принцип : всё существующее генетическое разнообразие произошло за счёт тиражирования и комбинаторики относительно небольшого числа исходных генетических структур.

Экзоны - участки гена, содержащие кодирующие последовательности. Интроны - участки гена не несущие генетической информации. Интроны (Mattick, Gagen, 2001; Fedorova, Fedorov, 2003) содержат большое разнообразие регуляторных элементов, влияющих на экспрессию генов — сайты связывания транскрипционных факторов, энхенсеры, альтернативные промоутеры, сайты метилирования и т. д. (Kolchanov et al. , 2002). Т. е. , «рыхлый» геном эукариот обеспечивает лучшие условия для взаимодействия различных кодов, чем «плотный» геном прокариот.

Фрагмент регуляторного района гена аполипопротеина B человека Kolchanov N. A. , Nedosekina E. A. , Ananko E. A. et al. . Gene. Net database: description and modeling of gene networks // In Silico Biol. 2002. Vol. 2. No. 2. P. 97 -110.

Комбинаторика альтернативного сплайсинга гена DSCAM Drosophila melanogaster Black D. L. Protein diversity from alternative splicing: a challenge for bioinformatics and post-genome biology // Cell. 2000. V. 103, № 3. P. 367 -370.

• Регуляторные районы генов эукариот, по сравнению с прокариотами, очень велики (на порядки больше размера его кодирующей части). • При количестве сайтов связывания регуляторных белков равном-N количество состояний регуляторного района равно 2 N. При N=20 это около миллиона состояний! • С огромной емкостью регуляторного кода согласуется незначительная (6— 15% от протеома) доля белков- регуляторов транскрипции у разных эукариот (Hermoso et al. , 2004, The Gene. . . , 2004) • Блочно-комбинаторный принцип кодирования генетической информации у эукариот — ароморфоз, позволивший фактически безгранично наращивать сложность генетических программ без существенного роста размеров геномов.

Гипотеза эпигена по Чураеву и Ратнеру (1975) Геномный импринтинг у млекопитающих Эпигенетическое репрограммирование - стирание и установление родительских импринтов происходит в линии зародышевых клеток. Родительские импринты стираются в примордиальных половых клетках, в которых имеют место деметилирование ДНК, биаллельная экспрессия импринтированных локусов и реактивация X-хромосомы.

• Спецификация Нох-генами тканей сегментов тела D. melanogaster эпигенетически наследуема и зависит от белков семейств Polycomb. • У плацентарных млекопитающх белки семейства Polycomb участвуют также в поддержании геномного импринтинга, обеспечивающего родитель- специфичную инактивацию одной из копий генов диплоидного организма, предотвращая партеногенез. • Эпигентическая разметка, в отличие от генетической регуляции, может стираться под влиянием среды (например, холодовой импринтинг) (Kohler, Grossniklaus, 2002; Bastow et al. , 2004). Bastow R. , Mylne J. S. , Lister C. et al. 2004. Vernalization requires epigenetic silencing of FLC by histone methylation // Nature. Vol. 427. No. 6970. P. 164 -167. Kohler C. , Grossniklaus U. 2002. Epigenetics: the flowers that come in from the cold // Curr. Biol. Vol. 12. No. 4. P. R 129 -R 131.

Схема локуса мыши Igf 2/H 19 х х О. Г. Максименко, Д. А. Четверина, П. Г. Георгиев Свойства, механизмы действия инсуляторов высших эукариот их роль регуляции транскрипции // Генетика. 2006. Т. 42, № 8. С. I 029 -1044.

Комбинаторика белок-белковых взаимодействий (образование сложных молекулярных регуляторных комплексов) • комплекс транскрипционных факторов Spl и Y-box запускает экспрессию экспрессию гена эмбрионального альфа-глобина в примитивных эритроцитах цыпленка; • комплекс транскрипционных факторов Spl и NF-1 блокирует экспрессию экспрессию того же гена в дефинитивных эритроцитах. Вероятность образования того или иного комплекса зависит от концентрации транскрипционных факторов (обозначена знаками +) на соответствующей стадии развития (Knezetic, Felsenfeld, 1993).

Различие в эпигенетической регуляции само по себе не ведет к эволюции паралогов. Их дивергенция — всецело следствие накопленных в них мутаций. Различная эпигенетическая регуляция лишь нарушает нейтрализацию таких мутаций, время от времени вводя их в сферу отбора. Такая концепция согласуется с ранее высказанной идеей об эволюционной роли фенотипической супрессии, вызванной прионизацией (Инге-Вечтомов, 1998, 2000). Инге-Вечтомов С. Г. Прионы дрожжей и центральная догма молекулярной биологии // Вестн. РАН. 2000. Т. 70. № 4. С. 299 -306. Инге-Вечтомов С. Г. Общая биология и частная генетика прионов // Вестник ВОГи. С. 1998. Т. 2. № 4.

Прионы — «нестандартные» биологические репликаторы, представляющие собой особым образом свернутые молекулы прионного белка Pr. P. Этот белок в норме присутствует на мембранах нейронов и выполняет какие-то полезные функции, связанные с передачей сигналов. Chiesa R. , Harris D. A. Fishing for Prion Protein Function // PLo. S Biol. 2009. 7(3): e 1000075).

Инфекционные нейрогенеративные заболевания человека и животных: • Куру. • Болезнь Кройцфельда-Якоба. • Синдром Герштона-Штресслера-Шейнкера. • Семейная смертельная бессонница. • Скрэпи овец и коз. • Губчатая болезнь мозга крупного рогатого скота ( «коровье бешенство» ).

Прионы Pr. C Pr. PSc конверсия Pr. C Pr. PSc =43% =34% =3% =43%

Два варианта пространственной конфигурации прионного белка: a — нормальная конфигурация (преобладают альфа- спирали); b — патологическая» конфигурация (преобладают бета- a b листы). Изображение с сайта www. cogs. susx. ac. uk/users/ctf 20 Jiali Li et al. Darwinian Evolution of Prions in Cell Culture // Science. 2010. V. 327. P. 869– 872.

Механизм развития прионных «медленных инфекций» (по Prasiner, 1996 a, b) • Р — растворимая глобулярная конформация; • П — патогенная, вызывающая цепную реакцию смены конформации у подобных ей молекул и к образованию миелоидных тяжей и бляшек в тканях головного и спинного мозга (фото справа).

Прионы грибов

Альтернативная репрессия и активация генной сети за счет белок-белковых взаимодействий - + p. RB E 2 F-1/DP-1 p. RB E 2 F-1/DP-1 Фрагмент генной сети клеточного цикла эукариотической клетки: • белковый комплекс регуляторов E 2 F-1/DP-1 активирует кассету E 2 F-1/DP-1 генов, запускающую переход из G 1 в S фазу клеточного цикла, • добавление в этот комплекс белка p. RB ингибирует ту же кассету p. RB (Turnaev, Podcolodnaya, 2002).

Супрессия нонсенс-мутаций в клетках [PSI+] SUP 35

• Прионы мутируют, передают мутации по наследству, и эти мутации влияют на эффективность размножения прионов в разных условиях. • Т. е. , у прионов есть всё необходимое, чтобы эволюционировать под действием естественного отбора. • Не ясно, может ли естественный отбор у прионов быть «накопительным» , то есть создавать новые свойства путем последовательного закрепления множества небольших наследственных изменений. Jiali Li et al. Darwinian Evolution of Prions in Cell Culture // Science. 2010. V. 327. P. 869– 872.

Центральная догма молекулярной биологии как отражение матричного принципа (Crick, 1958, 1970) с дополнением

АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ СПОСОБ КЛАССИФИКАЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ С. Г. Инге-Вечтомов Изменчивость, матричный принцип и теория эволюции // Чарльз Дарвин и современная биология. СПб. : Нестор- История, 2010. С. 49 -60.

ПРИОНЫ "аномалия" с дрожжевыми прионами, некоторые генетические признаки которых передаются без матриц ДНК или РНК. ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗА феномен синтеза ДНК "в отсутствие" кодирующей вещественной комплементарной матрицы ДНК или РНК. QB-РЕПЛИКАЗА Qb-репликаза может работать как машина саморепликации молекул РНК без матрицы РНК Гаряев П. П. , Гарбер М. Р. , Леонова Е. А. , Тертышный Г. Г. К вопросу о центральной догме молекулярной биологии // Сознание и физическая реальность. 1999. Т. 4, № 1. С. 34 -46.

• Принцип отбора: 1) всеобщий принцип, 2) физический принцип, 3) специфический биологический. • Экзоны: 1) транскрипционные факторы, 2) участки гена с кодирующими последовательностями, 3) участки гена без кодирующих последовательностей. • Патогенная форма прионов: 1) мозаичная структура, 2) -листы, 3) -спирали.