Генетика людини з основами загальної генетики. Навчальний посібник

У посібнику висвітлюються всі розділи сучасної генетики, необхідні розуміння генетики людини і психогенетики. Показано методологічну роль генетики в сучасній біології. Перші розділи присвячені фундаментальним положенням загальної генетики. У спеціальних розділах розглядаються питання медичної генетики, генної інженерії, генетики поведінки, еволюції, психогенетики.

Посібник призначений для студентів біологічних, педагогічних, психологічних та соціологічних факультетів. Цікавим для науковців усіх спеціальностей, які займаються питаннями, пов'язаними з вивченням біологічної природи людини.

2-ге видання, перероблене та доповнене.

Генетика людини з основами загальної генетики. Навчальний посібник

8.4. Еволюція генів та геномів

Аналіз структури та мінливості генетичного матеріалу є основою для різних теорій еволюції гена як елементарного носія генетичної інформації. Якою була вихідна організація гена? Або, іншими словами, чи обумовлені відмінності між еукаріотичними та прокаріотичними генами придбанням інтронів еукаріотами чи втратою інтронів прокаріотами?

Як не парадоксально, поширена думка, що мозаїчна структура гена еукаріотів є більш древнім типом організації геному, ніж безперервна структура прокаріотичних генів. Можливо, геном прокаріотів утворився шляхом видалення інтронів з метою компактизації генетичного матеріалу. Однак не всі еволюціоністи погоджуються з такою точкою зору.

Інша щонайменше складна проблема генетики – еволюція геномів. Не торкаючись всіх аспектів цього питання, відзначимо дві принципові відмінності під час переходу з прокаріотичного на еукаріотичний рівеньорганізації клітин. Це тенденція до більшої автономності гена та генетичних регуляторних систем, а також хромосомний рівень організації генетичного матеріалу.

У порівняльних дослідженнях еукаріотів геномів проглядається кілька цікавих закономірностей. Відсутня кореляція між розмірами геному еукаріотів та еволюційною складністю організму. Кількість ДНК у деяких амфібій у десятки разів перевищує кількість ДНК людини, причому у близьких амфібій кількість ДНК може різнитися в 100 разів. Що рівень організації організмів, то нижча частка екзонів у тому геномах. Так, у дріжджів екзони становлять 70% геному, у дрозофіли - 20%, у людини - 1,1-1,4%. Також зменшується середня щільність генів на одиницю довжини геному: у дріжджів - 450 генів на 1 млн п. н., у хробакаC. elegans - близько 200, у людини - всього 10. Разом з тим геноми демонструють високий ступінь консервативності. Так, гени людини на 50% подібні до генів хробакаC. elegans, а в геномі миші не виявлено всього 300 «людських» генів (з приблизно 30 000), причому 80% генів майже ідентичні (Тарантул В. З., 2003).

Подібність та відмінність хромосом різних видів дозволили виявити метод диференціального забарвлення ще в 1970-х роках. Аналіз хромосом людини та людиноподібних мавп показав велику схожість їх структури. У каріотипі людини хромосома 2, ймовірно, утворилася в процесі еволюції в результаті робертсонівської транслокації (вона відповідає хромосомам 12 і 13 шимпанзе і хромосомам 13 і 14 горили та орангутану). Внаслідок цієї перебудови каріотип людини зменшився на одну пару. Чотири хромосоми людини відрізняються від хромосом шимпанзе періцентричною інверсією. Виявленню гомології між хромосомами та аналізу еволюційних перетвореньсприяло секвенування геномів. Хоча багато груп зчеплення у процесі еволюції можуть переміщатися, між видами зберігаються гомології цих ділянок. Так, нуклеотидні послідовності, що становлять кожну хромосому людини, розкидані за різними хромосомами миші. Цю фразу можна прочитати і з «іншого кінця»: нуклеотидні послідовності, що становлять кожну хромосому миші, розкидані по різних хромосомах людини.

Останнім часом важливим фактором еволюції геномів еукаріотів вважають хромосомні перебудови, що відбуваються за активної участі МГЕ.

Роль горизонтального перенесення є "гарячою точкою" еволюційної біології (Steele Е., 1980). Останні молекулярно-генетичні дослідження, особливо в рамках проекту «Геном людини», показали, що внесок горизонтального перенесення в еволюцію геномів еукаріотів незрівнянно вищий, ніж вважали раніше. У людини понад третину геному представлено транспозонами.Ретротранспозониє нащадками впровадилися в геном мільйони років томуретровірусів, аДНК-транспозонинесуть генетичний матеріал бактерій. Тількиретротранспозоніввиділяють понад 200 різновидів. Близько 3% геному людини (приблизно 300 000 копій) становлять спадок бактеріальних транспозонів, інтегрованих у глибинах еволюції. Деякі генетики вважають, що впровадження в геном людини в ході еволюції екзогенної ДНК вірусів та прокаріотів відіграло вирішальну роль у ході антропогенезу.

Нині еволюційна геноміка робить основний внесок у створення природної системи живої природи.

У геномах еукаріотів виявлено особливі генні сімейства. Їхні екзони дуже схожі між собою, хоч і не ідентичні. Так, у геномі людини виявлено близько півтори тисячі таких сімейств. Оскільки більшість геннихсімейств не специфічна в людини і навіть хребетних, можна дійти невтішного висновку про раннього часу їх освіти в еволюції.

Як і розглянуті вище повтори, генні сімейства діляться на зчеплені і дисперговані. Основний еволюційний шлях виникнення зчеплених генних сімейств – дуплікація єдиного гена-попередника, а диспергованих генних сімейств – ретротранспозиція.

Копії генів, що виникають шляхом дуплікації, поступово мутують і набувають деяких відмінностей. Такий процес називається дивергенцією. Однак і після цього вони зазвичай виконують схожу функцію. Різні гени сімейства можуть бути розкидані у різних місцях, навіть у різних хромосомах. Так, у людини виявлено 111 генів білків шкіри – кератинів, близько 200 копій генів р-РНК, близько 500 копій генів т-РНК, близько 1000 копій генів-рецепторів нюху, близько 2000 копій генів 5S-РНК.

У багатьох генних сімействах більшість становлять не функціонуючі гени, а псевдогени. Деякі псевдогени мають таку саму структуру, як і активні гени з чергуванням екзонів та інтронів. Ймовірно, вони сталися шляхом дуплікацій, а неактивними копії стали внаслідок мутацій, що порушують будь-які стадії експресії. Інші псевдогени складаються виключно з екзонів. Передбачається їх походження шляхом зворотної транскрипції на кшталтретровірусів.Дуже цікава можливість зворотного перетворення псевдогену на функціонуючий ген у процесі еволюції. Такі випадки описано, розглядаються різні механізми активації псевдогенів (Грінєв В. В., 2006). За однією версією, псевдогени є «еволюційним резервом» еукаріотичного геному, за іншою, – є «глухими кутами еволюції», побічний ефект перебудов колись функціонуючих генів.

Псевдогени – неєдиний генетичний матеріал із незрозумілою еволюційною роллю. Менше 30 % геному людини (та інших ссавців) організовано до генів і геноподібних структур, причому з цих областей транскрибується менше половини, але в кодування білків використовується трохи більше 1 % геному. Інші транскрибовані ділянки ДНК – це інтрони, гени РНК, деякі псевдогени.

Розрахунки популяційної генетики дозволили визначити граничну кількість умовних генів, що може забезпечувати еволюційну стабільність геному.