Рекомбинации как источник генетической изменчивости. Механизмы увеличения числа и разнообразия генов в генотипе в ходе биологической эволюции

Гомологичные хромосомы половых клеток в процессе мейоза (профаза I) могут обмениваться аллелями или их частями (рекомбинация). Если при рекомбинации обмениваются не целиком аллельные гены, а участки ДНК меньшей длины, то такой обмен может приводить к появлению новых, преж­де не существовавших в популяции аллелей, а не просто новых сочетаний прежних аллелей. После слияния гамет в диплоидном наборе зиготы получаются различные сочетания аллелей, как уже существовавших в популяции, так и вновь возникших в процессе мейоза в паре гамет, образовавших данную зиготу. Рекомбинации — го­раздо более частые события, чем мутации, поэтому разнообразие форм внутри вида обусловлено главным образом именно рекомбинациями.

Организм должен реплицировать ДНК с высокой точностью, чтобы поддержи­вать свою генетическую идентичность. На это направлено действие механизмов, обеспечивающих точность репликации, и действие репарирующих систем, устра­няющих повреждения. И все же он должен допускать некоторое количество оши­бок при репликации ДНК или репарации повреждений, чтобы была возможна эволюция. Мутации — это первичная причина появления разнообразия фенотипов, необходимого для действия естественного отбора. Другая причина — вторич­ная — это рекомбинации генов при половом размножении.

Генотипическая гетерогенность - причина полиморфизма белков в популяции человека (варианты гемоглобина, альфа-1-антитрипсина, гликозилтрансферазы, группоспецифические вещества и др.).

У разных особей возникают варианты (мутации) разных генов или варианты од­ного и того же гена. Варианты генов, образующиеся у отдельных особей, могут постепенно распространяться в популяции в результате наследования, если они не летальны. Так формируется генотипическая неоднородность популяции, кото­рая ведет и к фенотипической неоднородности. На молекулярном уровне фенотипическая неоднородность проявляется как полиморфизм белков — существова­ние разных форм белка, выполняющих одинаковые или очень сходные функции (изобелки). Чаще всего изучают полиморфизм ферментов (т. е. наличие изоферментов), поскольку их гораздо легче обнаружить, чем другие белки, по катализи­руемой ими реакции.

Гемоглобины А (2альфа2бета), F (2альфа2гамма), А2 (2альфа2дельта) есть в эритроцитах почти всех людей. Гены этих белков не аллельны, они занимают разные локусы. Эти гены возникли в результате дупликации гена-предшественника и мутационной дивергенции копий. Но в крови некоторых людей обнаруживаются (обычно ред­ко) другие гемоглобины, являющиеся продуктами аллельных генов. В частности, известно много аллельных вариантов гемоглобина А. Один из вариантов — это HbS, который отличается от НЬА лишь одной аминокислотой в шестом положе­нии бета-цепи (замена бета6Glu -> Val).

По аллелям НЬА и HbS все люди делятся на три группы: с генотипами АА, AS и SS. У людей первой группы эритроциты содержат НЬА, у второй — НЬА и HbS, у третьей — HbS. Распространенность аллеля S (т. е. суммарное количество лю­дей с генотипами AS и SS) географически неравномерна: у некоторых народно­стей Азии и Африки — до 35 %; у европейцев встречается редко.

Существует еще вариант гемоглобина: HbC (бета6Glu -+ Lys). По этой паре алле­лей существуют генотипы АА, АС и СС. Теперь всех людей можно разделить на пять генотипически и фенотипически разных групп: АА, AS, SS, АС и СС. Известно око­ло 300 разных вариантов НЬА. Следова­тельно, по всем аллелям гемоглобина А люди образуют около 600 генотипически

различающихся групп (если не считать очень редко встречающиеся гетерозиготы по вариантам, например SC).

Ингибитор протеиназ альфа1-антитрипсин

Другой пример полиморфизма белков дает альфаl-антитрипсин — ингибитор некото­рых протеолитических ферментов. Физиологическая роль этого белка состоит в регуляции активности протеолитических ферментов, выделяемых лейкоцитами в очаге воспаления. Найдены четыре аллельных варианта aльфаl-антитрипсина с рас­пространенностью 94, 2,3, 2 и 1,3 % и еще около десятка редких вариантов. Вари­анты легко обнаруживаются по различиям в электрофоретической подвижности.

Происхождение разнообразия антител. Особенности структуры ДНК при дифференцировке и созревании Б-лимфоцитов. Транспозиция V, D, J -участков генов в ходе формирования полных генов L-u Н-цепей.

Происхождение разнообразия антител

В ходе дифференцировки лимфоцитов действуют специальные механизмы реком­бинаций и мутирования, которые и служат причиной появления клонов, имеющих разные V-гены (гены вариабельных областей). Следовательно, клоны В-лимфоци­тов различаются не только фенотипически, но и генотипически; они отличаются по V-генам также от других клеток организма, в том числе от гамет.

В эмбриональном периоде в предшественниках лимфоцитов гены, кодирую­щие разные области пептидных цепей антител, расположены не рядом друг с дру­гом, а в разных частях молекулы ДНК. В процессе онтогенеза происходит диффе-ренцировка лимфоцитов и образование клонов. Важнейшим моментом дифферен-цировки является особого рода рекомбинация генов: она заключается в том, что происходит перенос генов (или их частей) из одного места в другое в пределах одной молекулы ДНК. Такую рекомбинацию называют транспозицией генов.

Рассмотрим этот процесс на примере рекомбинации генов, кодирующих тяже­лые цепи. В ДНК лимфоцитов содержатся гены константных областей пяти клас­сов и гены вариабельных областей трех типов: 300-400 разных ге­нов V, около 20 разных генов D и четыре разных гена J. Эти группы генов располо­жены в разных участках ДНК. В результате транспозиции происходит объединение трех генов V, D и J в полный ген вариабельной области цепи Н. При этом выбор каждого гена из группы соответствующих генов происходит случайно: любой ген V. из сотен генов V может оказаться объединенным с любыми генами D. и J. из групп соответственно D и J. Далее, также путем транспозиции, полный ген вариабельной области может объединиться с любым из генов константной облас­ти, в результате получается полный ген соответствующей Н-цепи (Нг, Нб и т. д.). Общее число вариантов полного гена Н-цепи равно примерно 4000. Сходным пу­тем образуются и гены легких цепей; их тоже может быть около 4000 вариантов. При образовании иммуноглобулинов цепи Н и L могут соединяться в разных соче­таниях, поэтому общее число разных иммуноглобулинов достигает порядка 10⁷ (4000 х 4000 = 1,6*10⁷).

Поскольку объединение генов при транспозиции имеет случайный характер, в разных лимфоцитах образуются разные сочетания генов V, D, J и С в полном гене иммуноглобулиновой цепи, т. е. происходит дифференциация лимфоцитов и об­разование клонов, различающихся генотипически. Соответственно, они различа­ются и фенотипически — по способности синтезировать антитела определенной специфичности.

Происхождение разнообразия антител. Образование гипервариабельных участков V-сегментов и L-генов за счет соматических мутаций. С - области H-цепей определяют классы lg. Перестройка ДНК в ходе переключения класса lg. Иммунодефициты.

Смотри предидущий вопрос и ниже иммуноглобулины.

СИНДРОМ ПРИОБРЕТЕННОГО ИММУНОДЕФИЦИТА (СПИД)

СПИД — инфекционное заболевание, вызывается вирусом иммунодефицита че­ловека (ВИЧ). Вирус инфицирует Т-лимфоциты класса хелперов. Вирусная части­ца присоединяется к Т-рецептору на наружной поверхности мембраны Т-хелпера, липидная оболочка вируса сливается с клеточной мембраной, и содержимое вирус­ной частицы оказывается в цитозоле. ВИЧ содержит РНК, которая слу­жит матрицей для синтеза ДНК (ретровирус); фермент, необходимый для такого синтеза — обратная транскриптаза, — также содержится в вирусной частице.

Образующаяся ДНК поступает в ядро, интегрируется с ДНК лимфоцита (при участии белков ви­руса) и служит матрицей для транскрипции — синтезируется вирусная РНК. В результате трансляции этой РНК образуются вирусные белки — обратная транс­криптаза, белки оболочки вируса, а также регуляторные белки, стимулирующие по механизму положительной обратной связи транскрипцию и трансляцию вирусной РНК. Комплекс вирусной РНК и вирусных белков присоединяется к внутренней поверхности мембраны лимфоцита и покидает клетку вместе с частью мембраны лимфоцита, образующей липидную оболочку вируса.

Размножение вируса в клетке истощает ее ресурсы, и она в конечном счете погибает. В норме в 1 мл крови содержится около 1000 Т-лимфоцитов; у лиц, ин­фицированных ВИЧ, их содержание снижается. Когда количество Т-лимфоцитов уменьшится в 4-5 раз (через 7-10 лет после инфицирования), появляются явные и тяжелые симптомы недостаточности иммунной системы. Главные из них — вирус­ные, грибковые и бактериальные инфекции (часто — туберкулез), а также злока­чественные опухоли (часто — саркома Капоши, форма рака кожи).