Прокаріотичні й вірусні геноми.

Геном побудованийнадзвичайно.економно.: десять генів (один із них дає два різні

транскрипти) займають практично всю циркулярну ДНК бактеріофага. Більше того, декілька генів перекриваються за рахунок використання різних рамок зчитування: гени А і С та С і D перекриваються своїми кінцями, гени B, K і E повністю знаходяться у межах інших генів; три гени. А, С і K. використовують усі три можливі рамки зчитування на одній ділянці ДНК (звичайно, у даному випадку всі три рамки є відкритими). Явище перекриття генів за рахунок використання різних рамок зчитування спостерігається також для кількох інших бактеріофагів, проте іноді зустрічається в еукаріотів. Загалом геноми вірусів і бактеріофагів побудовані за подібним економним принципом: порівняно невелика кількість генів, мінімальна кількість міжгенної ДНК.

У геномі прокаріотичної клітини кількість ДНК і генів значно зрос- тає, але зберігається принцип економічності щодо використання більшості послідовностей для кодування генетичної інформації.

Еукаріотичні геноми містять значно більшу кількість ДНК порівняно з геномами прокаріотів (див.), причому переважна частинацієї ДНК представлена послідовностями, що не є кодуючими. У тому числі приблизно половина еукаріотичного геному. це послідовності,представлені багатьма копіями (послідовності, що повторюються). Еукаріотична ДНК існує у клітинному ядрі у складі хромосом, кожна хромосома містить одну гігантську лінійну молекулу ДНК. Послідовності, що

повторюються, зосереджені на кінцях хромосом (теломери) і в зонахприкріплення хромосом до веретена поділу при мітозі (центромери).Характерною ознакою генів еукаріотів (на відміну від прокаріотів)є мозаїчний принцип будови кодуючої частини: власне кодуюча частина. це послідовність окремих змістовних ділянок. екзонів (exon),розділених беззмістовними інтронами (intron). Часто екзони відповідають окремим структурним доменам мультидоменних білків: еволюційне збирання білка з кубиків-доменів може здійснюватись шляхом

перетасування екзонів на рівні ДНК. Беззмістовними інтрони є в тому сенсі, що не містять інформації про кінцевий продукт, але в межаінтронів часто розташовані важливі регуляторні ділянки. При транскрипції молекула РНК синтезується суцільно (первинний продукт транскрипції. первинний транскрипт. містить екзони та інтрони__

№60Молекулярно генетичні механізми в еволюції

60.Дарвін видав «Походження видів» майже за 100 років до розшифрування структури ДНК. Нові знання, отримані з того часу, могли б остаточно спростувати еволюційну теорію, якби вона була хибною. Натомість, аналіз ДНК дає підтвердження теорії еволюції^[122]. Наявність спадкової мінливості є необхідною для еволюції, і якби виявилось, що ДНК стійка до змін, це означало би кінець теорії.^[8] Але ДНК постійно мутує, до того ж ці мутації відповідають різниці між геномами різних видів. Наприклад, основні відмінності геному людини від геному шимпанзе містять 35 млн замін окремих нуклеотидів, 5 млн делецій (видалень) і інсерцій (вставок), злиття двох хромосом і дев'ять хромосомних інверсій.^[123] Всі ці мутації спостерігаються і сьогодні, у протилежному випадку версію про еволюційне походження від спільного предка довелось би переглядати.

Різниця між геномами видів повинна відповідати не тільки мутаціям, які спостерігаються, але і філогенетичному дереву і палеонтологічному літопису. Подібно тому, як аналіз ДНКспроможний встановити ступіть споріднення між двома людьми, порівняння геномів дозволяє з'ясувати ступінь споріднення між видами, а знаючи кількість накопичених відмінностей, дослідники визначають час розходження двох видів, тобто час, коли існував їх останній спільний предок. Наприклад, згідно з даними палеонтології, спільний предок людини і шимпанзе жив приблизно 6 млн років тому.^[124] Для того, щоб отримати спостережуване число відмінностей між геномами, на кожен мільярд нуклеотидів мало припадати в середньому 20 змін за одне покоління.^[125] Сьогодні у людей швидкість мутацій становить 10—50 змін на кожен мільярд нуклеотидів за одне покоління^[126], тобто дані палеонтології узгоджуються з результатами аналізу ДНК, в суворій відповідності до теорії еволюції.

Носієм спадкової інформації у всіх клітинах є молекули ДНК, у всіх відомих організмів і основі розмноження — реплікація цієї молекули. В ДНК всіх організмів використовується 4нуклеотиди (аденін, гуанін, тимін, цитозин), хоча в природі зустрічаються не менше 102 різних нуклеотидів.^[128] Крім того, в природі зустрічаються 390 різних амінокислот^[129], але білки всіх організмів складаються із одного і того ж набору, в якому лише 22 амінокислоти.^{[~ 9]} При цьому можливі 1,4×10⁷⁰ різноманітних інформаційно еквівалентних генетичних кодів, які використовують одні й ті самі кодони і амінокислоти.^[130]

Якщо не враховувати еволюційне походження всіх організмів від спільного предка, то ніщо не заважає кожному виду мати власний генетичний код. Такий стан речей був би вкрай вигідним, тому що при цьому унеможливлювалося б подолання вірусами міжвидових бар'єрів. Проте, нічого подібного не спостерігається, і теорія еволюції виключає таку можливість: зміни генетичного коду призводять до зміни більшості білків організму, така мутація практично завжди виявляється летальної, тому код не міг значно змінитися з часів останнього спільного предка, що гарантує його універсальність.

Учені, які зробили значний внесок у виявлення структури генетичного коду в 1950-х і 1960-х роках, у своїх дослідженнях активно використовували припущення, що код є практично універсальним. Френсіс Крік, Сідні Бреннер, Джордж Гамов і інші зробили це припущення виходячи з версії про еволюційний походження від спільного предка^[131], не маючи жодних прямих доказів універсальності коду^[132]. Покладаючись на універсальність коду, Бреннер в 1957 році дійшов висновку про неперекривність коду (один і той же нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або більше триплетів)^[133]. Робота мала велике значення, оскільки до неї більшість дослідників вважали, що код перекривається.

У 1961 році, за п'ять років до встановлення структури генетичного коду, Френсіс Крік посилався на роботу Бреннера у статті «Спільна природа генетичного коду для білків»^[134]. Спираючись на еволюційне передбачення про універсальність коду (зокрема — на тому, що у бактерій, тютюну і людей код влаштований однаково), Крік встановив такі найважливіші властивості генетичного коду як триплетність (значущою одиницею коду є поєднання трьох нуклеотидів — триплет, чи кодон), неперекривність і наявність «стартових» кодонів, з яких починається зчитування (трансляція).

Ендогенні ретровіруси являють собою сліди древніх вірусних інфекцій в ДНК. Ретровіруси (такі як ВІЛ і Т-лімфотропний вірус людини, який спричиняє лейкоз і лімфому) вбудовують власний код в геном зараженого організму. Звичайно після цього клітина починає продукувати нові копії віруса^[144], але в цьому процесі можливі збої: копіювання вбудованої вірусної послідовності пригнічується клітиною власника, але послідовність залишається в структурі хромосоми. Якщо цей процес відбувся із стовбуровою статевою клітиною, тоді таку послідовність будуть наслідувати нащадки інфікованої особини. Вірогідність незалежного вбудування в геном однакових вірусів на однакові позиції є нехтовно малою^[145]. Це означає, що генетичний код одного і того ж ретровірусу може бути присутнім у двох тварин на одній і тій же позиції в ДНК тільки в тому випадку, якщо ці тварини походять від спільного предка.

Біля 1 % людського геному займають ендогенні ретровіруси, загалом таких послідовностей в ДНК кожної людини біля 30 000^[146]. Деякі із цих вірусів зустрічаються тільки у людини. Інші послідовності зустрічаються тільки у шимпанзе і у людини (там самим підтверджується походження людини і шимпанзе від одного предка). Також є послідовності, які зустрічаються у горил, шимпанзе і людини, у орангутанів, горил, шимпанзе і людини, і так далі.^{[147][148][149]} Розподілення ендогенних ретровірусів точно відповідає філогенетичному дереву.