У организмов, находящихся на примерно одинаковых ступенях эволюционного развития, часто наблюдаются значительные вариации в размерах геномов (см. главу 1). Например, у некоторых видов рыб, относящихся к разным отрядам и подклассам, размеры геномов заметно различаются. Наименьшие геномы характерны для некоторых неродственных видов костистых рыб. В частности, у малоротой корюшки, меченосца или камбалы размер генома приблизительно в 5 раз меньше генома млекопитающих. В то же время у двоякодышащих рыб (одни из немногих выживших представителей кистеперых рыб, которые морфологически практически не изменились за миллионы лет своего существования) размер генома, по крайней мере, в 35 раз превышает размер генома плацентарных млекопитающих. Ввиду большого морфологического и физиологического сходства этих видов рыб можно предположить, что различия в размерах их геномов, главным образом, определяются относительным содержанием в них избыточных последовательностей нуклеотидов.
Развивая концепцию о стабилизирующем влиянии избыточных последовательностей нуклеотидов ДНК на генетическую информацию, заключенную в геноме многоклеточных организмов, можно предполагать, что различия в размерах геномов у близких видов многоклеточных организмов отражают существенные особенности в функционировании их генетического аппарата и его внутриклеточного окружения. У организмов с высоким содержанием избыточной ДНК могут менее эффективно функционировать ферменты репаративной системы, что, в свою очередь, усиливает (имитирует) экзогенное и эндогенное мутагенные воздействия. Действительно, эффективность функционирования систем эксцизионной репарации, по-видимому, существенно различается даже в клетках разных видов млекопитающих. Кроме того, у таких организмов могло бы быть более высоким внутриядерное содержание эндогенных мутагенов в силу видовых особенностей их метаболизма. В связи с этим весьма вероятно, что гигантский размер геномов двоякодышащих рыб и амфибий отражает одну или несколько таких особенностей функционирования их генетического аппарата и его внутриклеточного окружения. Эволюционное включение в их геном большого количества защитных избыточных последовательностей нуклеотидов могло значительно стабилизировать геном и, по-видимому, позволило этим организмам пройти морфологически неизменными через миллионы лет своего существования. С другой стороны, малый размер генома других видов может сочетаться с более эффективно работающими системами репликации и репарации, а также способствовать ускоренному видообразованию.
|
|
Таким образом, повышение точности функционирования систем репликации и репарации ДНК, с одной стороны, и увеличение размера генома за счет включения в него некодирующих последовательностей нуклеотидов, с другой, могут приводить к одному и тому же эволюционному последствию: увеличению информационной стабильности генома. Поэтому размер генома современных эукариот эволюционно оптимизирован в отношении максимально допустимой частоты мутаций, совместимых с жизнеспособностью конкретных биологических видов. Сохранение видоспецифических соотношений между кодирующими и некодирующими последовательностями генома эукариот может быть следствием естественного отбора, отсекающего крайние варианты, у которых или слишком мало, или чрезмерный избыток некодирующих последовательностей.
|
|
Эволюционное увеличение размера генома понижает требования таких видов к точности функционирования систем репарации геномной ДНК. В результате снижение давления отбора на эти ферментативные системы могло способствовать накоплению в них мутаций, уменьшающих точность функционирования таких систем. Следовательно, суммарный размер генома эукариотического организма отражает не только потребность организма в определенном количестве генетической информации для обеспечения соответствующего уровня сложности его биологической организации, но и особенности жизнедеятельности организма, связанные с интенсивностью экзогенных и эндогенных мутагенных воздействий.
Подводя итоги вышесказанному, необходимо еще раз отметить, что, по крайней мере, две особенности строения генома эукариот могут оказывать влияние на частоту мутаций, возникающих в нем в процессе репликации под действием экзогенных и эндогенных мутагенов. Во-первых, включение избыточных последовательностей нуклеотидов приводит к глобальной защите всех функционально значимых последовательностей генома от эндогенных и экзогенных мутагенов. Избыточные последовательности нуклеотидов генома эукариот весьма существенно стабилизируют геном, что, возможно, является необходимым и достаточным условием для эволюционного появления многоклеточности. Во-вторых, внутриядерная компартментализация последовательностей нуклеотидов геномной ДНК, при которой происходит специфическая упаковка нитей хроматина в индивидуальных компартментах, занимаемых хромомерами и более крупными блоками последовательностей нуклеотидов, должна также сопровождаться изменением частоты мутаций в конкретных генетических локусах пропорционально локальной внутриядерной концентрации ДНК и пространственному расположению отдельных генетических локусов друг относительно друга.
|
|
Эволюционно сложившиеся отношения между суммарными длинами экзонов и интронов в индивидуальных генах, а также уровни упаковки и пространственное расположение ДНК в отдельных генетических локусах могли бы указывать на тот максимально допустимый темп мутационных изменений экзонов, который совместим с жизнеспособностью организмов в онтогенезе. С другой стороны, эти соотношения были бы своеобразной генетической программой, предопределяющей и филогенетическое развитие видов. Действительно, селективная видоспецифическая защита отдельных генетических локусов от спонтанного и индуцированного мутагенеза должна сопровождаться преимущественным образованием мутаций в локусах, наименее защищенных некодирующими последовательностями нуклеотидов, на фоне которых и разворачиваются основные события, связанные с естественным отбором. При этом уровни защищенности отдельных генетических локусов определяют различные темпы изменений этих локусов в филогенезе разных таксономических групп организмов. Частоты спонтанных мутаций в индивидуальных генах ограничиваются достаточно узкими рамками, определяемыми пространственной структурой как самих генов, так и более протяженных генетических локусов, включающих в себя некодирующие последовательности нуклеотидов. Такие ограничения могут быть преодолены при более мощных мутагенных воздействиях, однако соотношение частот мутаций, возникающих в разных частях генов, в основном, должно сохраняться, в том числе из-за разной доступности этих частей химическим мутагенам.
Все вышеперечисленные причины могут в конечном счете определять дискретный популяционный полиморфизм и направление изменчивости фенотипов индивидуальных биологических видов, наблюдаемые в природе. В этих терминах можно было бы объяснить закон гомологических рядов Н.И. Вавилова, в соответствии с которым у родственных видов, родов и даже семейств организмов наблюдаются сходные ряды фенотипической изменчивости. Действительно, данное явление вполне естественно объясняется общностью генотипов таких таксономических групп и общностью пространственной структуры их геномов, определяющей мутабильность отдельных генетических локусов и направление эволюционных преобразований этих генов и признаков. Такая генетически детерминированная изменчивость генотипов индивидуальных биологических видов и может дать гомологические ряды фенотипических признаков родственных организмов, которые формируются направленно изменяющимися генотипами. В то же время для образования признаков, выводящих организмы из их таксономических групп, требуются более радикальные преобразования генотипов, чем точковые мутации, которые бы открывали новые участки генома для интенсивного спонтанного мутагенеза. Направленная изменчивость генотипов, определяемая пространственной структурой и составом интерфазных хромосом, должна допускать в больших популяциях одновременное образование одних и тех же мутантных фенотипических признаков у большого числа особей и ускорять процесс видообразования.
Не исключено, что еще большее, чем интроны, отношение к генетической программе филогенетического развития имеют крупные блоки повторяющихся последовательностей индивидуальных хромосом, которые окружают и в разной степени защищают от мутационных изменений участки генома, наиболее важные для видообразования и сохранения вида как такового. Анализ и картирование этих блоков в геноме многоклеточных организмов могут способствовать выявлению новых функционально значимых участков генома и их экспериментальному исследованию. Не менее интересные результаты может принести и анализ интрон-экзонной структуры известных генов, а также фланкирующих генов избыточных последовательностей по уровню защищенности индивидуальных генов от мутаций. Такой анализ может по-новому осветить генетическую значимость уже известных участков генома. С использованием аналогичного подхода могут быть выявлены новые жизненно важные гены, которые организм особенно бережно укрывает от мутаций избыточными последовательностями нуклеотидов.
Организовав геном эукариот таким изящным (но не безупречным) образом, природа сама указывает на его слабые места и возможные пути дальнейшего совершенствования. Уязвимость современного генома в отношении неблагоприятных экологических факторов (в первую очередь, антропогенных) может быть связана с тем, что в доисторические времена, когда происходила адаптивная эволюция организмов, экологическая обстановка была существенно благоприятнее. Крупные геномы гораздо более чувствительны как мишени для ионизирующих излучений, а этот фактор в те времена мог не иметь большого значения, и эволюционирующим организмам не нужно было к нему приспосабливаться. Уязвимость такого сложноорганизованного генома, как геном эукариот, заключается еще и в том, что его мутационные изменения, нарушающие пространственную организацию укладки ДНК в интерфазных ядрах, могут быть причиной возникновения мутаторного фенотипа мутантных соматических клеток. Этот фенотип, в свою очередь, может вызывать тяжелые патологические изменения организма, включая онкологические, аутоиммунные и другие тяжелые заболевания. С другой стороны, введение генно-инженерными методами генетически нейтральных последовательностей нуклеотидов, изменяющих доступность для мутагенов особенно важных генетических локусов генома, могло бы повысить устойчивость организма к мутагенным воздействиям, тем самым оградив его от многих патологий и увеличив продолжительность жизни. Такой генно-инженерный подход мог бы стать одним из элементов превентивной генотерапии.
С учетом всего сказанного вряд ли можно считать избыточные последовательности нуклеотидов эукариот "эгоистичными" геномными паразитами, как это часто обсуждается в современной литературе. Избыточные последовательности нуклеотидов в геноме, количество и локализация которых, по-видимому, строго сбалансированы по отношению к функционально значимым последовательностям в процессе эволюции, ведут себя вполне "альтруистично", принимая удар мутагенов на себя и специфически защищая жизненно важные участки ДНК от мутаций. Их "самоотверженное" "альтруистичное" поведение способствует сохранению хрупкой стабильности генома эукариот на приемлемом уровне и дает возможность многоклеточным организмам существовать в виде гигантских клонов высококооперированных соматических клеток, а также, вероятно, перспективу и вектор их филогенетического развития.