§9.10. Мутации и молекулярная эволюция

В процессе эволюции многие мутации заключаются в замене лишь одного или нескольких нуклеотидов. При этом бо́льшая часть гена остается неизменной. Чем больше накапливается различий, тем меньше сходство последовательностей нуклеотидов в генах. Поэтому число различий в последовательности нуклеотидов можно рассматривать как меру эволюционной дивергенции (изменчивости).

В настоящее время секвенированы (расшифрованы) нуклеотидные последовательности у миллионов генов ДНК и РНК, а также аминокислотные последовательности у сотен тысяч белков. Созданы международные банки данных. Сравнивая данные секвенирования различных форм генов и белков, существовавших в различное время, с палеонтологическими данными (палеонтология – наука о животных и растениях прошлых геологических эпох, изучаемых по ископаемым остаткам и следам жизнедеятельности), можно установить датировку эпох существования общих предков для биологических форм, живущих в настоящее время.

Установлено, что кодирующие макромолекулы эволюционируют с различными скоростями. Наиболее консервативны гены рибосомных РНК, кодирующие синтез белков, и гены некоторых белков, обеспечивающих компактацию ДНК в хромосомах. Более изменчивы гены и белки глобинов (гемоглобина крови, миоглобинов тканей) животных. Наиболее быстро меняющимися являются гены и белки РНК-содержащих вирусов (вируса гриппа, ВИЧ-вируса иммунодефицита человека, онкогенных вирусов).

Рассмотрим данные, полученные для белков – глобинов, существующих, в основном, у животных. Удаленные представители глобинов – леггемоглобины – обнаружены также у растений. Скорость эволюции глобинов, определяемая числом мутаций (замен аминокислот) в год, характеризуется следующими данными. Средняя по белку скорость замен в период миллионов лет до нашего времени составляет около от общего числа нуклеотидов в гене в год. В период миллионов лет назад скорость эволюции глобинов имеет максимум. Этот период относится к эпохе выхода позвоночных животных из Мирового океана на сушу. Переход к дыханию свободным кислородом воздуха потребовал резкой перестройки всей системы дыхания и соответственно структуры гемоглобинов. При выходе животных на сушу гемоглобин приобрел тетрамерную структуру, в которой α- и β-субъединицы связаны между собой центрами контакта и регуляторными центрами дифосфоглицерата (ДФГ). Эта структура осталась неизменной до настоящего времени (см. рис. 3–56 с. 428, рис.3–63, с. 433). Скорость замен аминокислот в последние два миллиона лет в среднем по белку составила в год, то есть была существенно меньше.

Наибольшей частотой мутации обладает вирус гриппа. Вирус гриппа имеет РНК-геном, в котором за одну репликацию доля мутаций от общего числа нуклеотидов в геноме составляет . В обычных условиях вирус находится в органах человека или популяции животных (от лат. populus - народ, население; – совокупность особей одного вида, обладающих общим генофондом и занимающих одну территорию), которые имеют к вирусу устойчивый иммунитет. Эпидемии возникают при появлении новых, мутационных вариантов вируса, против которых нет готовых антител в организме хозяина. Мутированный вариант вируса быстро распространяется в человеческой популяции до тех пор, пока не вырабатывается эффективный иммунный ответ. После этого эпидемия затухает. Следующая эпидемия возникает при образовании нового варианта вируса, обычно не связанного с предыдущей эпидемией. Скорость эволюции вируса в период эпидемии возрастает в  раз. Это связано с отсутствием в этот период эффективного иммунного сопротивления размножению вируса в организме хозяина.

Аналогично эволюционирует вирус ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), вызывающий синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). Вирус ВИЧ передается половым путем, при переливании крови, при родах от матери к ребенку. Он был обнаружен в начале 80-х годов в крови больных, погибавших при различных заболеваниях. Вирус ВИЧ появился в центральной Африке, по-видимому, ранее 1960 г. В некоторых странах Африки носителями ВИЧ является половина населения, хотя заболевание СПИДом проявляется лишь у небольшой части населения. Мутационная изменчивость вируса ВИЧ настолько велика, что в организме человека иммунная система не успевает вырабатывать новые варианты антител. Агрессивность вируса в течение болезни (за года) возрастает, а иммунная система практически разрушается.

Сравнение последовательностей нуклеотидов в генах у высших приматов (приматы – отряд высших млекопитающих: полуобезьяны, обезьяны) и человека позволяет определить последовательность ответвления различных видов (совокупность популяций особей, репродуктивно изолированных в природе) от эволюционного ствола человека и число мутаций, происшедшее при этом. Эти данные принято представлять в виде так называемого филогенетического дерева (филогения - историческое развитие мира живых организмов). На рис. 9–34 представлено филогеническое дерево высших приматов, построенное американским исследователем М. Гудменом на основе сравнения некодирующих последовательностей нуклеотидов вокруг гена -глобина. Наклонная прямая с буквами – эволюционный ствол человека, начинающийся в точке Н. Цифрами около ребер указаны числа Z замен нуклеотидов на 100 позиций. Через определенный временной интервал (при Z=0,74) в точке N стволовая линия разделяется на две: одна линия после 0,71 замен ведет к геному С шимпанзе, другая – к точке М, отстоящей от точки N на Z=0,04. В точке М опять происходит ветвление: одна линия после 0,73 замен нуклеотидов приводит к формированию генома G гориллы, а другая через Z=0,88 к точке L, в которой опять через определенное время линии ветвятся и т.д. Таким образом, гены глобина человека H и шимпанзе C отличаются числом мутаций Z=1,45 на 100 нуклеотидов; человека H и гориллы G на Z=1,51; человека H и орангутанга Or – на Z=2,98; человека и макак-резуса Rh на Z=7,51 и у человека H и обезьяны нового света NWM – на Z=11,29. Наиболее близким к человеческому гену является ген шимпанзе. По оценке Дж. Даймонда геномы человека и шимпанзе различаются на одиночных замен нуклеотидов из , то есть приблизительно одного нуклеотида из 100. При этом последовательности 99 нуклеотидов у человека и шимпанзе совпадают . Однако время, в течение которого формировалось это различие составляет миллионов лет.

Рис. 9–34. Филогенетическое дерево высших приматов для некодирующих последовательностей из района вокруг гена -глобина. Цифрами указано число замен на 100 позиций нуклеотидов; N, M, L, K – точки ветвления дерева. Состояние гена у человека обозначено буквой Н, у шимпанзе – С, у гориллы – G, орангутанга – Or, макак-резуса – Rh и обезьяны Нового Света – NWM

Интересны исследования молекул ДНК пчел, термитов, долгоносика, выделенных из янтаря (природной смолы деревьев). У этих насекомых были клонированы (см. с. 746) и секвенированы гены 18S-рибосомальной РНК. Возраст найденных термитов и пчел оценивается в млн. лет, долгоносика – млн. лет.