5. Молекулярная генетика II
Стэнфордский университет. Объявления
Меня завтра не будет в городе, поэтому консультаций не будет. В понедельник мне удалось без труда запутать кучу народа насчёт положительного отбора против стабилизирующего отбора. В разделе вопросов и ответов курса я извлёк параграфы из дополнительных материалов, где это объясняется связно.
Также в понедельник я обнаружил, что кто-то в этой аудитории имеет потрясающую татуировку, иллюстрирующую центральную догму жизни. Потрясающая демонстрация: ДНК в РНК в белок. Если у этого человека нет пары после занятия, он встанет на этот стол и продемонстрирует её всем в образовательных целях.
Повторение: две атакованные концепции
В понедельник мы ввели два понятия и с большой драматической прелюдией начали громить оба.
Первое: акцент на градуализме
Первое — это огромный акцент во всех предыдущих лекциях на эволюции поведения. Акцент не только на адаптации и выведении генетической основы, но и на градуализме, на медленных эволюционных изменениях. Были молекулярные механизмы классического градуалистского изменения, микроэволюции:
- Весь мир точковых мутаций, делеций, вставок
- Мир мутаций, потенциально являющихся большими событиями, полностью выводящими белок из строя
Микромутации влияют на то, насколько легко белок выполняет свою работу — это сырьё для микроэволюционных изменений.
Второе: атака на градуализм — прерывистое равновесие
Вторым переходом была огромная атака на градуализм, которая пришла с взглядом на прерывистое равновесие. Идея о том, что большую часть времени ничего захватывающего не происходит: длительные периоды стазиса, а затем внезапные драматические изменения, предложенные Гулдом и другими эволюционистами.
Следствие: если большую часть времени ничего интересного не происходит с точки зрения эволюционного сдвига, то градуализму конец. Конец акценту на том, что каждая адаптация будет иметь значение в долгосрочной перспективе. Всё это летит в мусор, если 99% времени существует равновесие, стазис.
Мы увидели яростные атаки на эту идею:
- Стазис и быстрые изменения — это для палеонтологов
- Нет сходства с тем, как устроен мир для эволюционного биолога
- Палеонтологи видят только эволюцию скучных вещей — морфологии
- Самое убийственное возражение: покажите молекулярные механизмы для этих макроэволюционных изменений
Молекулярные механизмы макроэволюции
Интрон-экзонная организация генов
Картина структуры генов и ДНК является совершенно неверной. Есть вставочные последовательности, интрон-экзонная организация генов. Внезапно появляется возможность смешивать и комбинировать комбинаторные способности для одного гена, чтобы задавать целый набор различных белков в зависимости от функции сплайсинговых ферментов. Эти ферменты различаются в разных частях тела при разных обстоятельствах.
Некодирующая ДНК и транскрипционные факторы
95% ДНК не кодирует белки, не является генами. Вместо этого это инструкции, промоторы, включение и выключение. Это приводит к критическому понятию транскрипционных факторов, транслирующих события, происходящие снаружи ядра, снаружи клетки.
Невероятно важная роль транскрипционных факторов и промоторов — это взаимодействия по типу «замок-ключ».
Второе критическое понятие
Если микроэволюция касается изменения функции белка, то изменения на уровне транскрипционного фактора и промоторов — это об изменении контекста, в котором белки функционируют, когда гены экспрессируются.
Вторая крупная вещь, которую мы разгромили, — это ДНК как центральная отправная точка, догма жизни. ДНК — единственная, кто знает, что происходит снаружи. ДНК командует, РНК командует, белок командует. Но мы увидели, что гены ДНК — это просто считывание, и большая часть этого — экологическая регуляция того, когда гены активируются.
Эпигенетика
Мы начали видеть способы манипуляции экспрессией генов, которые не имеют ничего общего с последовательностями ДНК, а связаны с доступом транскрипционных факторов к ДНК. Весь мир эпистатических, эпигенетических изменений.
Краткая формулировка:
- Оплодотворение — это генетика
- Развитие — это эпигенетика
Всё это показывает: гены — не такая уж большая сделка. В дополнение к механизмам микроэволюционных изменений, мы остановились на пороге понимания того, как это может подготовить почву для серьёзных макроэволюционных изменений.
Первый пример макроэволюционных изменений: модульная конструкция генов
Вернёмся к модульной конструкции генов. У нас есть интроны, экзоны. Вот ген, закодированный с тремя экзонами. Вы производите матричную РНК, которая включает все их плюс интроны. Приходит специфический сплайсинговый фермент, вырезает эти части — и вот зрелый белок.
Что, если у вас есть мутация в вашем факторе сплайсинга? Вместо того чтобы разрезать здесь, он игнорирует их. Разрезает здесь. Что вы получаете? Два совершенно новых белка, которые никогда не существовали в этой клетке. Это не микроэволюционное изменение (белок, работающий немного лучше или медленнее). Это изобретение совершенно новых белков.
Сплайсинговые факторы работают по-другому. Если есть мутация в факторе сплайсинга, вы создали совершенно новое «если-то». Если то, что происходит во внешнем мире, активирует это, вы производите эти два новых белка.
Вопрос: Как часто они пробиваются наружу? Имеют ли они функцию? Ответ: не очень часто. И это критично для прерывистого равновесия.
Если сплайсинговые ферменты — это гены, то есть ген для сплайсингового фермента, и у этого гена есть свои промоторы. И этот ген состоит из нескольких экзонов, и ему нужен фактор сплайсинга. Мы катимся вниз по этой рекурсивной регуляции.
Вторая область: мутации в промоторах
Теперь у вас есть мутация в промоторе — целый мир мутации в некодирующей части ДНК. Вы можете иметь другой промотор, и он будет взаимодействовать с другим транскрипционным фактором.
Обычно множественные копии одного промотора появляются выше по течению различных генов, опосредуя экспрессию целых сетей белков. Измените этот промотор — и вы измените сеть. Измените этот промотор только в некоторых местах — и вы создали совершенно новую сеть, состоящую из половины белков, которые вы бы произвели в немутированной версии.
Мы создали совершенно новое условие «если-то»: если это происходит, то создай сеть белков, комбинацию, которая никогда не встречалась прежде.
Тема усиливающих эффектов: вместо одного маленького белка, который благодаря замене пары оснований свёрнут на 1,5 градуса и на 1,5 процента лучше связывает гормон (микроэволюционное изменение), мы подготавливаем почву для больших сетевых изменений, новых генов, новых сетей, новых условий «если-то».
Пример: промотор гена вазопрессина
Позже в курсе мы услышим об одном из самых интересных различий в промоторе выше по течению гена, связанного с гормоном вазопрессином. Вазопрессин имеет отношение к социальному аффилиативному поведению у самцов.
Существует рецептор вазопрессина, ген рецептора и промотор выше по течению этого гена, который бывает нескольких разных типов.
У полёвок: некоторые виды моногамны, некоторые полигамны. Критическое различие: у моногамных видов есть другой промотор выше по течению гена рецептора вазопрессина, чем у полигамных. Используя методы генной терапии, чтобы изменить промотор, вы можете превратить полигамного самца полёвки в моногамного.
Измените свой промотор — и у вас внезапно появляется другой паттерн экспрессии, в каких частях мозга он оказывается. Вы вызываете серьёзный сдвиг в поведении, изменяя главное условие «если-то».
Пример: промотор гена динорфина
Есть ген, кодирующий гормон-нейротрансмиттер, связанный с восприятием боли, — динорфин. Есть промотор выше по течению. Недавние исследования показывают, что количество копий этого промотора у разных крыс предсказывает, насколько легко они становятся зависимыми от различных наркотиков.
Пример: промотор вазопрессина у человека
За последние пару лет вышло несколько исследований, показывающих, что если вы человек мужского пола, то версия этого промотора даёт значительную предсказательную силу относительно того, насколько стабильными будут ваши социальные отношения. Статистически вы более склонны к разводу в будущем. Это не различие в гене, а различие в промоторе.
Третья область: мутация гена для транскрипционного фактора
Следующая область, где вы можете получить макроизменение, — это мутация гена для транскрипционного фактора. Сделайте это — и у вас будут совершенно другие сети. Вы dramatically измените контингенции «если-то». Транскрипционные факторы очень важны.
Сравнение генома человека и шимпанзе
Когда вы смотрите на геном человека по сравнению с геномом шимпанзе, 98% наших генов общие. В чём различия?
Изменение в гене, кодирующем структурный белок, — возможно, мышцы будут сгибаться немного иначе. Изменение в гене, кодирующем транскрипционный фактор, — вы изобретёте всевозможные новые сети.
Непропорционально большая доля того, что произошло в эволюции, отличающей нас от шимпанзе, — это изменения в транскрипционных факторах. Это было большим триумфом взгляда, появившегося в 80-х.
Учёные Кинг и Уилсон из Беркли первыми пришли к 98% с использованием примитивных молекулярных методов. Они сделали предсказание: наиболее интересные изменения в эволюции будут в регуляторных частях ДНК, а не в кодирующих частях для белка. Всё с тех пор подтвердило это.
Закономерность: транскрипционные факторы и размер генома
Сейчас секвенированы геномы около 100 различных видов. Когда вы смотрите на них как на функцию длины их геномов, чем больше генов вы находите у вида, тем больше процент этих генов составляют транскрипционные факторы.
Математика:
- Один ген — нужен один транскрипционный фактор
- Два гена — нужно три транскрипционных фактора (A, B, AB)
- Три гена — семь (2ⁿ - 1)
- Четыре гена — 15
- Пять генов — 30
Чем больше количество генов, тем больше процент составляют транскрипционные факторы.
Вывод
Получите крошечные микроизменения в ДНК, кодирующей транскрипционные факторы, сплайсинговые ферменты, промоторы — и вы получите большие серьёзные последствия.
- Микроэволюция касается функции белков
- Макроэволюция касается того, какие белки, когда, сети, условия «если-то»
Четвёртая область: транспозируемые генетические элементы
Ещё одна область, весьма революционная, появившаяся несколько лет назад, — это транспозируемые генетические элементы, транспозоны.
Барбара Мак-Клинток
Барбара Мак-Клинток родилась около 1900 года и была генетиком растений. Она была чрезвычайно успешна: в возрасте около 40 лет (конец 1930-х) она уже была членом Национальной академии наук. 40-летние женщины в 1940 году не становились членами Национальной академии наук.
Однажды она сделала открытие, которое полностью разрушило её карьеру. Она изучала паттерны наследования, основанные на цвете зёрен кукурузы. Всё, что можно было сделать, — смотреть на фенотип. Она увидела паттерн наследования и пришла к безумному выводу: единственный способ объяснить изменение — если гены подхватываются и перемещаются по ДНК, если гены прыгают.
Она выдвинула предположение о существовании транспозируемых генов, транспозонов. Люди высмеивали её, называя их «прыгающими генами». Общее мнение было: Барбара Мак-Клинток сошла с ума.
Она обладала стоической самооценкой: «Это то, что я вижу. Хотите верить — верьте. Не хотите — оставьте меня в покое». Она исчезла из поля зрения, работала в лаборатории Cold Spring Harbor Lab самостоятельно в течение десятилетий. Писала статьи, которые были непонятны. Её игнорировали, высмеивали.
Где-то в 1980-х молекулярные методы достаточно развились, чтобы показать, что она была абсолютно права. Эти вещи теперь называются транспозонами. Это было удивительным landmark открытием. Она получила Нобелевскую премию, будучи уже под 90. Она сказала: «Это мило. Спасибо, но мне не обязательно было её получать. Это то, что я видела. Оставьте меня в покое».
Она продолжала работать в своих кукурузных полях примерно до недели до своей смерти в начале 90-х.
Транспозоны у растений
Она выбрала правильный вид для изучения. Она никогда бы не открыла транспозируемые генетические элементы, если бы изучала кашалотов.
Если вы животное, когда дела идут плохо, вы можете убежать. Если вы растение, вы застряли. У растений должны быть более тонкие трюки. Среди их защит, когда возникает вызов (патоген, изменение климата), одна из вещей, которые они делают, — перемещают гены, перетасовывают вещи в надежде наткнуться на что-то новое и полезное.
У растений есть индуцибельные события перемещения генов, транспозируемых генетических элементов. Они индуцируются, когда растение находится под клеточным стрессовым ответом. Способ: активация фермента транспозаза. Растение благоразумно перетасовывает часть своей ДНК, делает копию гена и помещает её в другое место.
Транспозоны у животных
Люди начали изучать тот же вопрос у животных, позвоночных и млекопитающих. Оказалось, что они есть и у нас.
Транспозоны в иммунной системе
Вы синтезировали новый патоген, которого никогда не было в истории планеты, и ввели его людям. Через две недели у них выработались антитела. Как иммунная система создаёт эту огромную изменчивость?
Одним из трюков было разрезание генов, relevant для производства антител, и перетасовка их — индуцибельные транспозиционные события в надежде создать миллиарды новых типов антител. Это происходит в иммунной системе позвоночных в ответ на новые патогены.
Транспозоны у паразитов
Есть тропический паразит трипаносома. Вы получаете трипаносомоз. Ваше тело производит антитела, которые могут начать нацеливаться на него. Но трипаносомы также поклоняются алтарю Барбары Мак-Клинток: через пару недель они удаляют поверхностные белки со своей поверхности, перетасовывают ДНК и создают новую версию. Как только у вас появились антитела, вы не можете распознать эту штуку этими антителами. Трипаносомы всегда на пару шагов впереди.
Транспозоны в мозге
Есть один транспозируемый элемент, очень распространённый у приматов. Он наиболее мобилен в определённом типе клеток и в определённое время жизни: клетки в вашем мозге, которые будут создавать новые нейроны, нейральные клетки-предшественники, когда они начинают пролиферировать и создавать новые нейроны. В это время происходит индуцибельное событие, увеличивающее движение этого генетического элемента. Вы создаёте новые нейроны и решаете немного перетасовать колоду.
