ные гены происходят от предкового гена, содержащегося в генотипе вида, из которого образовались сравниваемые виды. Эволюция ортологичных генов отражает, следовательно, эволюцию видов, в генофонде которых они присутствуют. Молекулы цитохрома с у 20 организмов, представленных в табл. 26.7, ортологичны, поскольку все они происходят от одного предкового гена, содержавшегося в генотипе вида, являющегося предком всех 20 сравниваемых организмов.

Паралогичные гены -это потомки дуплицированного предкового гена. Паралогичные гены, следовательно, эволюционируют в пределах одного и того же вида (а также параллельно у различных видов). Гены, кодирующие а-, р\ у-, и 5-, е-, ?-цепи гемоглобина у человека, парало-гичны. Эволюция паралогичных генов отражает изменения, накопившиеся с момента дупликации предкового гена. Гомологии между пара-логичными генами позволяют построить филогении генов, т.е. проследить эволюционную историю дуплицированных генов в одной ветви филогенетического древа организмов. На рис. 21.13 изображена филогения дупликаций гена, давшего начало генам миоглобина и гемоглобина современного человека.

Рис. 26.11. Скорости молекулярной эволюции различных белков. (По R.E. Dickerson, 1971, J. Mol. Evol., 1, 26.)

Молекулы цитохрома с эволюционировали очень медленно. У таких разных организмов, как человек, тутовый шелкопряд и нейроспора, значительная доля аминокислот в молекулах этого белка совпадает. Эво2,6

1,6

Человек

0,9 m

Шимпанзе

4,7 „j

Орангутан

13,0

— ——Кролик

Рис. 26.12. Филогения некоторых приматов, основанная на данных о различиях аминокислотных послев соответствующих ветвях эволюционного древа. (По R.E. Tashianet al. In: Molecular Antropology, ed. by

довательностей 115 аминокислот кар- M. Goodman and R. E. Tashian,

боангидразы 1. Указаны числа нуклеотидных замен, происходивших

Plenum Press, New York, 1976, p. 301.)

люционный консерватизм цитохрома с позволяет использовать его для анализа генетических различий между организмами, находящимися лишь в отдаленном родстве. Однако в силу того же эволюционного консерватизма цитохром с оказывается бесполезным при исследовании эволюционных изменений у близкородственных организмов, так как у них молекулы цитохрома с полностью или почти полностью идентичны. Например, у человека и шимпанзе первичная структура цитохрома с совершенно одинакова, хотя пути их эволюции разошлись 10-15 млн. лет назад. Цитохромы с человека и макака-резуса различаются только по одной аминокислоте, хотя общий предок этих организмов существовал 40-50 млн. лет назад.

Для разных белков характерны различные скорости эволюции. При анализе филогенетических различий между близкородственными организмами можно использовать аминокислотные последовательности быстро эволюционирующих белков, таких, как фибринопептиды млекопитающих (рис. 26.11). Карбоангидразы-это быстро эволюционирующие белки, играющие важную физиологическую роль при обратимой гидратации С02, а также в некоторых секреторных процессах. На рис. 26.12 изображено филогенетическое древо некоторых приматов, построенное на основе данных об аминокислотной последовательности карбоангид-разы I с указанием минимально необходимого числа нуклеотидных замен в каждой ветви древа. Генетические изменения, происходящие в ходе эволюции близкородственных видов, можно изучать также с помощью других методов, таких, как гибридизация ДНК, электрофорез в гелях и иммунологические методы.

Иммунология и электрофорез

В настоящее время частично или полностью установлены более 700 аминокислотных последовательностей различных белков. Эти данные несут много ценной информации о генетических изменениях, происхоОбщий предок

Гиббон Сиаманг

Орангутан

Человек

Шимпанзе

Горилла

Обезьяны Старого Света

Рис. 26.13. Филогения человека, человекообразных обезьян и низших обезьян Старого Света, построенная на основе иммунологических различий альбуминов. Человек, шимпанзе и горилла состоят между собой

в более тесном родстве, чем любой из них с орангутаном; этот результат впоследствии был подтвержден другими молекулярно-генетическими исследованиями. (По V.M. Sarich, А. С. Wilson, 1967, Science, 158, 1200.)

Рис. 26.14. Филогения видов группы Drosophila willistoni, построенная на основе электрофоретических различий в 36 локусах, кодирующих различные ферменты. Указано среднее число аллельных замен (выявленных с помощью электрофореза), приходящихся на один локус. Филогенетическое древо включает в себя семь видов, из которых D. willistoni и D. equinoxialis представлены двумя подвидами каждый. D. paulisto-rum-это комплекс из шести полувидов (видов, находящихся в стадии становления). . Этим полувидам присвоены наименования: центрально-американский (СА), промежуточный (TR), андобра-зильский (АВ), амазонский (AM), внутрикон-тинентальный (IN) и оринокский (OR). (По F. J. Ayala et al, 191 A, Evolution, 28, 576.)

D. insularis

0,072 0,142

D. tropicalis

D.w. willistoni D.w. quechua

D. pavlovskiana

0,023 0,020 CA

0,022 1 K

AM IN OR

0,008 0,065 0,022

AB

* D. paultstorum

D.e. equinoxialis D.e. caribbensis

0,224

D. nebulosa

белком может быть выражена величиной, которая называется иммунологическим расстоянием (дистанцией). Эта величина при желании может быть приближенно пересчитана в число различий по аминокислотным последовательностям.

В табл. 26.8 приведены иммунологические расстояния между человеком, человекообразными обезьянами и низшими обезьянами Старого Света. Были отдельно получены антитела на альбумины, выделенные из тканей человека, шимпанзе (Pan troglodytes) и гиббона (Hylobates lar). Затем эти антитела реагировали с альбуминами, выделенными из тканей человека, шести видов человекообразных обезьян и шести видов обезьян Старого Света. Филогения, полученная на основе данных этой таблицы, изображена на рис. 26.13.

Другой сравнительно простой метод, используемый для оценки различий в белках разных организмов, представляет собой электрофорез. С помощью электрофореза нельзя определить число аминокислот, по которым различаются белки двух видов; можно лишь установить, являются ли эти два белка электрофоретически идентичными (неразличимыми). Относительная простота этого метода позволяет сравнивать между собой множество белков. Суммарные результаты можно представить в форме генетического расстояния между видами, используя процедуру, описанную в дополнении 26.1.

Электрофорез оказывается бесполезным при сравнении организмов, находящихся в очень отдаленном родстве. Они электрофоретически различаются по всем или по большинству локусов. Поскольку число аминокислотных замен нельзя установить с помощью электрофореза (устанавливаются лишь различия в электрофоретической подвижности белков), этот метод непригоден для того, чтобы оценить степень дифференциации между видами в случае, когда они различаются по всем или почти по всем локусам. С другой стороны, метод электрофореза имеет то преимущество, что при его использовании оценка расстояния производится по данным о многих локусах; поэтому различия в скоростях эволюции в разных эволюционных линиях по одному локусу могут быть компенсированы различиями по другим локусам. В целом электрофорез-это удобный метод, позволяющий оценивать генетические изменения у близкородственных организмов, у которых анализ аминокислотных последовательностей какого-то одного белка может не выявить никаких различий или различия оказываются такими незначительными, что это приводит к ошибочным результатам.

На рис. 26.14 изображена филогения группы Drosophila willistoni, построенная по матрице генетических различий. Числа означают генетические расстояния D, т.е. среднее число электрофоретически различимых аллельных замен, приходящихся на один локус в каждой из ветвей этого древа.

Филогении нуклеотидных последовательностей

Нуклеотидная последовательность ДНК любого организма-результат его эволюционной истории. Расшифровка этой истории по последовательности ДНК-далеко не простая задача. В эволюционном масштабе ДНК очень лабильна: некоторые гены удваиваются и могут перестать функционировать или приобрести новые функции; последовательности различной длины могут амплифицироваться и присутствовать в клетке во множестве копий; отдельные гены и более крупные участки нуклеотидной последовательности способны менять свое расположение в хромосомах. Кроме того, существует явление согласованной эволюции, когда последовательность одного гена копируется другим, в результате чего «память» о заменах, вставках и делециях, накопленных в процессе эволюции последнего, стирается. В настоящее время в геномах человека и других высших организмов уже расшифрованы (секвенированы) участки ДНК длиной во многие тысячи нуклеотидов. Ежегодно к этому списку прибавляются все новые и новые последовательности.

Один из недостатков нуклеотидных последовательностей по сравнению с аминокислотными (с точки зрения их использования для восстановления филогении) состоит в том, что в каждом сайте может находиться лишь один из четырех нуклеотидов, тогда как в полипептидных цепях-одна из 20 аминокислот. В результате возникает довольно значительная вероятность того, что в данном сайте вторичная замена может восстановить исходный нуклеотид. Но этот недостаток с лихвой окупается много большим числом единиц информации, содержащимся

в ДНК,-на каждую аминокислоту приходится по три нуклеотида и, кроме того, ДНК включает некодирующие последовательности помимо транслируемых в полипептиды. Использование нуклеотидных последовательностей обладает и другими преимуществами. Возможно сравнение гомологичных последовательностей ДНК с неизвестными функциями и последовательностей, не кодирующих белки. А поскольку в экзонах, с одной стороны, и в интронах и других некодирующих участках, с другой стороны, нуклеотидная последовательность эволюционирует с различной скоростью, можно сказать, что последовательность ДНК фиксирует события эволюционной истории по нескольким часам, каждые из которых отсчитывают время в собственном темпе.

Колоссальное коли