Ортологичные и паралогичные гены

Сравнение геномов организмов разных видов (про- и эукариот) показало, что существует фундаментальный набор генов, общий для всех организмов, белковые продукты которых легко распознаются у всех них. Это подтверждает гипотезу об общем предшественнике для всех организмов. Такие гены получили название ортологичные гены (или ортологи). Гены — ортологи произошли от одного гена в общем предковом организме и сохранили одну и ту же функцию в процессе эволюции. Они кодируют строение ключевых махромолекул клетки, участвующих в процессах репликации, транскрипции, трансляции и репарации генетического материала. Очевидно, что такие основополагающие механизмы биологической организации, сложившиеся миллионы лет назад, уже не могут быть изменены в настоящее время так же, как не могут быть изменены генетический код, строение рибосом, нуклеосом и многие другие системы многоуровневой биологической организации. Поэтому мутации ортологов, как правило, летальны.

Таким образом, ортологи - это гомологичные гены в геномах разных организмов, которые произойти от одного гена в общем предковом организме и сохранили одну и ту же функцию в процессе эволюции. Не подвергаются изменениям в настоящее время и регуляторные элементы, контролирующие ключевые этапы онтогенеза высших растений и животных. Типичный пример ортологичных генов - гистоновые гены, кодирующие белки гистоны (HI, H2A, Н2В и НЗ), участвующие в образовании нуклеосом при первом уровне компактизации ДНК в составе хромосом. Существование ортологичных генов позволяет приписывать базовые биохимические функции последовательностям одного организма на основании их гомологии с последовательностями другого {позиционное клонирование). Особенно часто такой подход используют для "приписывания" функций генам, вовлеченным в возникновение наследственных заболеваний человека. Так, структура клонированных и секвенированных генов человека MSH2 и MLH1, ответственных за наследственную предрасположенность к неполипозному раку толстой кишки, оказалась гомологичной дрожжевым и бактериальным генам, вовлеченным в репарацию.

В отличие от ортологов паралогичные гены, или паралоги, возникают путем внутригеномных дупликаций и могут эволюционировать с приобретением новых функций. Паралогичные гены обеспечивают видам адаптацию к меняющимся условиям окружающей среды.

Идентификация ортологов и паралогов очень важна для функциональных выводов на базе сравнения геномов.

Исследовать функции генов более простых организмов легче, чем более сложных, а по гомологии последовательностей генов можно судить и об аналогии их функций.

"Обратная генетика"

Геномика использует методы так называемой "обратной генетики", которая в отличие от классической генетики, изучающей вначале признаки, а затем контролирующие их гены (признак—>ген), идет в обратном направлении - от идентификации гена при отсутствии всякой информации о нем к изучению его функции (ген—>признак). Обратная генетика получила развитие в процессе разработки международной программы "Геном человека".

Традиционно работы по изучению функций генов проводились так. Искусственно получали или в природных популяциях находили мутантные организмы, в которых какая-то функция (признак) была нарушена, например, мух с нарушениями пигментации глаз, микроорганизмов с серией биохимических мутаций, и с помощью классических генетических экспериментов пытались определить, какой ген "отвечает" за данную функцию. Такой подход называют прямой генетикой.

Как уже отмечалось выше, сегодня расшифрована полная нуклеотидная последовательность многих генов различных организмов, однако функция большинства из них неизвестна. "Обратная генетика" пытается выявить функции гена, исходя из известной нуклеотидной последовательности. Например, если какой-то ген с неизвестной функцией гомологичен уже известному гену другого организма, то можно сказать, что функции этих генов сходны.

Но что же делать, если сравнение последовательности изучаемого гена не выявляет гомологии с уже известными генами? Один из возможных способов решения этой проблемы - использование недавно открытого для растений и некоторых животных феномена ~ РНК-интерференции. Суть его заключается в следующем. При введении искусственно синтезированной двухцепочечной РНК, гомологичной изучаемому гену, происходит "выключение" его работы, организмы становятся мутантными по данному гену, т.е. нарушается функция соответствующего гена. Например, введение в нематоду Caenorhabditis elegans двуцепочечной РНК, гомологичной гену rol, заставляет червяков сворачиваться в кольца, так как у них нарушается синтез специальных мышечных белков - актинов. Особенно много подобных работ проводят на классических объектах генетики - мушке дрозофиле и нематоде.

Стратегия "обратной генетики" применительно к поиску генов получила воплощение в позиционном клонировании, которое подразумевает локализацию гена при отсутствии всякой информации о его функции, т.е. о кодируемом геном белке. Предварительно место гена на хромосомной карте устанавливают по его сцеплению с известным генетическим маркером, например, с установленным геном, ответственным за определение наследственного заболевания. После этого осуществляют позиционное клонирование и секвенирование гена, функция которого неизвестна. Процедура секвенирования, как уже было сказано выше, сейчас полностью автоматизирована, как и сравнение геномов, и они представляют собой "компьютероемкие" и "интеллектуальноемкие" процедуры.