ды, позволяющие оценить накопившиеся в процессе эволюции генетические изменения: гибридизация ДНК, электрофорез, иммунологический анализ.

Метод, позволяющий оценить степень общего сходства ДНК у различных организмов,-это гибридизация ДНК. «Расплавленная» (т.е. диссоциированная) ДНК, меченная радиоактивными изотопами, после фракционирования может взаимодействовать с ДНК другого вида. Гомологичные последовательности при этом гибридизуются с образованием двухцепочечных комплексов (дуплексов). Количество прореагировавшей таким образом ДНК позволяет оценить долю гомологичных участков в молекулах ДНК сравниваемых видов. Обычно при этом сперва удаляются фракции высокоповторяющейся ДНК, так что сравнивают лишь уникальные последовательности.

Последовательности, образующие дуплексы, не обязательно комплементарны по всем нуклеотидам. Долю некомплементарных пар нуклеотидов в межвидовых дуплексах ДНК можно определить по скорости разделения цепей ДНК в дуплексах при повышении температуры. Для этого используется величина Tsi характеризующая термостабильность ДНК. Она представляет собой температуру, при которой диссоциирует 50% двухцепочечной ДНК (рис. 26.5). Разность (Д7^) между значениями 7^ гибридных и контрольных молекул ДНК, равная 1°С, соответствует примерно 1% некомплементарных пар нуклеотидов. Результаты, полученные при сравнении ДНК различных приматов с ДНК человека и зеРис. 26.5. Термостабильность гибридных дуплексов ДНК, в которых одна цепь происходит из ДНК Drosophila melanogaster, а другая-из ДНК вида, обозначенного на графике. Температура плавления негибридной ДНК равна 78гС, гибридной ДНК D. melanogaster ID. simulans-1'5°С, а гибридной ДНК D. melanogaster/D. funebris- 65°С. Поскольку ATS, равная 1 °С, соответствует примерно 1% некомплементарных нуклеотидных пар, доля нуклеотидных пар, по которым различаются ДНК D. melanogaster и D. simulans, составляет примерно 3%, а соответствующая величина для D. melanogaster и D. funebris -13%. (По CD. Laird, B.J. McCarthy, 1968, Genetics, 60, 303.)

1 §

? •

_ A funebris

100

§80 w

ed

о

в- 60

о

40

к о к

э

со К

| 20

о о

Л

(Я п

Таблица 26,5. Доля (%) нуклеотидных различий между ДНК различных приматов и ДНК человека и зеленой мартышки. (По D.E.Kohne, J.A.Chiscon, B.H.Hoyer, 1972, J. Human Evol., 1, 627.)

ДНК

Вид

леной мартышки (табл. 26.5), дают возможность оценить долю нуклеотидных пар, в которых в процессе эволюции приматов произошли замены оснований (рис. 26.6).

Филогении аминокислотных последовательностей

Цитохром с-это белок, принимающий участие в процессах клеточного дыхания; он обнаружен в митохондриях животных и растений. Последовательности аминокислот в цитохроме с человека, макака-резуса

12,8

Человек

1,45 ^

1,20 - Шимпанзе

,.. 1,4

445 , 2 — Гиббон

' ' м 1.

т——- Макак-резус

3,45 l,-——Зеленая

1,° мартышка

8,2

Капуцин

Галаго

21,0

Рис. 26.6. Филогения некоторых видов приматов, основанная на данных по термостабильности гибридных дуплексов ДНК. Числа указывают процентную долю нуклеотидных замен в соответствующих ветвях филогенетического древа. (По D.E. Kohne, J. A. Chiscon, В.Н. Hoyer, 1972, J. Human Evol., 1, 627.)

„ 1-8 9 10 20

Человек Gly-Asp-Val-Glu-Lys-Gly-Lys-Lys- He -Phe- lie -MetМакак-резуС Gly-Asp-Val-Glu-Lys-Gly-Lys-Lys- lie -Phe-Je-MetЛошаДЬ Gly-Asp-Vai-Glu-Lys-Gly-Lys-Lys- He -Phe21 30 40

Lys-Cys-Ser-Gln-Cys-His-Thr- Val-Glu-Lys-GIy-Gly-Lys-His-Lys-Thr-Gly-Pro-Asn-Leu-Lys-Cys-Ser-Gln-Cys-His-Thr- Val-Glu-Lys-Gly-Gly-Lys-His-Lys-Thr-Gly-Pro-Asn-Leu-Lys-Cys-|JPJ-Gln-Cys-His-Thr- Val-Glu-Lys-Gly-Gly-Lys-His-Lys-Thr-Gly-Pro-Asn-Leu41 50 60

His-Gly-Leu-Phe-Gly-Arg-Lys-Thr-Gly-Gln-Ala-Pro-Gly-Tyr-Ser-Tyr-Thr-Ala-Ala-Asn-His-Gly-Leu-Phe-Gly-Arg-Lys-Thr-Gly-Gln-Ala-Pro-Gly-Twr-Ser-Туг-Thr-Ala-Ala-Asn-His-Gly-Leu-Phe-Gly-Arg-Lys-Thr-Gly-GIn-AIa-Pro-GIy-|^^||-Tyr-Thr-^-Ala-AsnLys-Asn-Lys-Gly- He -^-TrP-G,y-Glu-AsP-Thr-Leu-Met-Glu-Tyr-Leu-Glu-Asn-Pr°-Lys-Lys-Asn-Lys-Gly- He -Thr-Trp-Gly-Glu-Asp-Thr-Leu-Met-Glu-Tyr-Leu-Glu-Asn-Pro-Lys-Lys-Asn-Lys-Gly- He -Thr-Trp-^-Glu-^J-Thr-Leu-Met-Glu-Tyr-Leu-Glu-Asn-Pro-Lys81 90 100

Lys-Туг- He - Pro-Gly-Thr- Lys-Met- lie -Phe-Val-Gly- He -Lys-Lys-Lys-Glu-Glu-Arg-Ala-Lys-Tyr- Пе -Рго-Gly-Thr-Lys-Met- He -Phe-Val-Gly- He -Lys-Lys-Lys-Glu-Glu-Arg-Ala-Lys-Туг- He -Pro-Gly-Thr-Lys-Met- He -Phe-|jj§-Gly- He -Lys-Lys-Lys-^-Glu-Arg-|^101 110 112

Asp-Leu- He -Ala-Tyr-Leu-Lys-Lys-Ala-Thr-Asn-GIu Asp-Leu- He -Ala-Tyr-Leu-Lys-Lys-Ala-Thr-Asn-Glu Asp-Leu- He -Ala-Tyr-Leu-Lys-Lys-Ala-Thr-Asn-Glu

Рис. 26.7. Первичная структура цитохрома с у человека, макака-резуса и лошади. У этих видов цитохром с состоит из 104 аминокислот (положения 9-112; аминокислоты в положениях 1-8 имеются у бактерий, пшеницы и других организмов, но не у млекопитающих. Различия в аминокислотных последовательностях цитохрома с этих трех видов выделены цветом (см. табл. 26.6).

А

Лошадь

Человек

Макак-резус

Лошадь

Человек

Рис. 26.9. Две теоретически допустимые филогении человека, макака-резуса и лошади. Числа аминокислотных и нуклеотидных (в скобках) замен, которые должны были произойти в каждой ветви эволюции, чтобы в последовательности цитохрома с возникли существующие различия, указывают на то, что эти гипотетические филогении вряд ли отвечают действительности.

требуются по меньшей мере две нуклеотидные замены (в первом и втором положениях кодона). Минимальные значения числа нуклеотидных замен, необходимых для того, чтобы обеспечить различия в аминокислотном составе молекул цитохрома с человека, макака-резуса и лошади, представлены в табл. 26.6 (ниже диагонали).

Предположим теперь, что нам ничего неизвестно о филогениях человека, макака-резуса и лошади. Данные, приведенные в табл. 26.6, свидетельствуют о том, что конфигурация филогенетического древа, изображенная на рис. 26.8, наиболее вероятна. Эволюция в целом-это процесс постепенного накопления изменений. Таким образом, виды, генетически более сходные между собой, как правило, имеют общего предка в менее отдаленном прошлом, чем генетически более различающиеся виды. На рис. 26.9 изображены два теоретически возможных варианта филогении человека, макака-резуса и лошади; указаны также минимальные числа нуклеотидных замен, необходимых для образования каждой ветви. Ясно, что оба этих варианта крайне маловероятны, даже если судить о филогениях, лишь исходя из информации об аминокислотных последовательностях молекул цитохрома с.

В табл. 26.7 приведены значения минимального числа нуклеотидных замен, которыми можно объяснить различия между аминокислотными последовательностями в молекулах цитохрома с у 20 различных организмов. На рис. 26.7 изображено филогенетическое древо для этих организмов, построенное на основе данных, представленных в табл. 26.7. Для каждой ветви древа указано минимально необходимое число нуклеотидных замен. В большинстве случаев это дробные числа. Ясно, что в действительности число нуклеотидных замен всегда целое. Однако на рис. 26.7 указаны числа, наилучшим образом согласующиеся с цифрами, приведенными в табл. 26.7.

Филогенетические отношения, изображенные на рис. 26.10, в целом очень хорошо соответствуют филогениям, построенным на основе палеонтологических и других источников. Однако существуют и несовпадения. Например, на схеме, представленной на рис. 26.10, куры состоят с пингвинами в более тесном родстве, чем с утками и голубями, а ветвь

Таблица 26.7. Минимальные значения числа нуклеотидных замен в генах, кодирующих цито-хромы с у 20 организмов. (По W.M. Fitch, Е. Margoliash, 1967, Science, 155, 279.)

Организм 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20

1. Человек — 1 13 17" 16 13 12 12 17 16 18 18 19 20 31 33 36 63 56 66

2. Макак-резус 12 161' 15 12 11 13 16 15 17 17 18 21 32 32 35 62 57 65

3. Собака 10 8 4 6 7 12 12 14 14 13 30 29 24 28 64 61 66

4. Лошадь 1 5 11 11 16 16 16 17 16 32 27 24 33 64 60 68

5. Осел 4 10 12 15 15 15 16 15 31 26 25 32 64 59 67

6. Свинья 6 7 13 13 13 14 13 30 25 26 31 64 59 67

7. Кролик 7 10 8 11 11 11 25 26 23 29 62 59 67

8. Кенгуру 14 14 15 13 14 30 27 26 31 66 58 68

9. Утка 3 3 3 7 24 26 25 29 61 62 66

10. Голубь 4 4 8 24 27 26 30 59 62 66

11. Курица 2 8 28 26 26 31 61 62 66

12. Пингвин 8 28 27 28 30 62 61 65

13. Черепаха 30 27 30 33 65 64 67

14. Гремучая змея — - - - — — — — — - — — — 38 40 41 61 61 69

15. Тунец 34 41 72 66 69

16. Муха — 16 58 63 65

17. Бабочка — 59 60 61

18. Нейроспора — — — — — — — — — — — — — — — — — — 57 61

19. Saccharomyces — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 41

20. Candida — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

11 Указанные здесь различия между лошадью, с одной стороны, и человеком и макаком-резусом -с другой (16 и 17), больше различий, приведенных в табл. 26.6 (15 и 14). Две дополнительные замены нуклеотидов необходимы, чтобы включить все перечисленные в этой таблице виды в единое филогенетическое древо. Сравнение с другими видами показывает, что в предковой линии произошла нуклеотидная замена, затем компенсированная реципрокной заменой.

эволюционного древа, на концах которой находятся человек и обезьяна, отошла от ствола млекопитающих еще до того, как произошло разделение на плацентарных и сумчатых. Несмотря на эти ошибки, можно лишь удивляться, Что изучение одного-единственного белка позволяет так хорошо восстановить филогенетические отношения между такими разными организмами, как те, которые представлены на рис. 26.10. Изучение аминокислотных последовательностей белков очень много дает для понимания эволюции.

Реконструкция филогении и оценка генетических различий по аминокислотным последовательностям белков основаны на предположении, что гены, кодирующие определенные белки, гомологичны, т.е. происходят от общего предка. Существует два типа гомологии между генами: ортологические и паралогические. Ортологич