Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Биология развития | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

Геномика и геносистематика

Антонов А.С., доктор биологических наук, профессор,
заведующий отделом эволюционной биохимии
Научно-исследовательского института физико-химической биологии им.А.Н.Белозерского
Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова.
Опубликовано в журнале "Природа", N 6, 1999 г.
В начало

Геномика в основе своей - та же геносистематика. Отличие заключается лишь в подходе к изучению геномов организмов. Исторически сложилось так, что сегодня геносистематики в основном изучают нуклеотидные последовательности фрагментов ДНК (например, генов) и на этой основе судят о родстве организмов. Геномика же исследует и сопоставляет целые геномы ядер или органелл клеток, в том числе и для целей филогенетики. Задача эта и по сию пору, особенно в случае высших эвкариот, очень сложная: ведь геномы наземных растений и животных построены из многих миллиардов нуклеотидов.

Определить порядок их расположения в хромосомах можно только с применением новейших молекулярно-биологических методов, что требует больших затрат времени и труда. Однако, как говорится, овчинка стоит выделки: решение ее может пролить свет на целый ряд проблем филогенетики и систематики, не говоря уже о том, что геномика имеет и прикладное значение. Всем понятно, как важно, например, для лечения наследственных болезней человека знать строение полного генома здоровой и больной клетки. Как только выяснится характер повреждения "больного" гена, методы его "лечения" не заставят себя ждать, и сотни и тысячи ранее обреченных больных будут спасены.

Понятно, что одной медициной сфера применения геномики не ограничивается. Она будет полезна и в промышленности, и в сельском хозяйстве, и во многих других сферах деятельности человека, но об этом пусть напишут другие. Автор ставит перед собой иную задачу: показать, что геномика уже сегодня - весьма удобный и эффективный инструмент для решения проблем классической биологии, связанных с изучением эволюции живого, и создания их систем.

Если геносистематика в целом - молодая наука, то геномика - вундеркинд в колыбели. Наибольших успехов она достигла при изучении микроорганизмов: размер геномов у них небольшой, и в настоящее время уже определены полные нуклеотидные последовательности хромосом нескольких десятков видов архе- и эубактерий. Такую работу обычно проводят многочисленные коллективы, включающие микробиологов, биохимиков, молекулярных биологов и геносистематиков. Например, у статьи, где описывается строение генома сенной палочки, около 150 соавторов1! Раньше, пожалуй, только физики-экспериментаторы создавали столь крупные исследовательские коллективы.

Из числа достижений геномики микробов отметим ее роль в выяснении распространенности латерального переноса генов у микроорганизмов. Интересные результаты получили при изучении генома одного из гипертермофильных микроорганизмов, Aquifex aeolicus2. Оказалось, что его геном представляет собой сложную мозаику, состоящую как из "собственных" генов A.aeolicus, так и генов, "позаимствованных" им у других термофильных микробов. По мнению авторов этой работы, как минимум 10% генов появилось в геноме A.aeolicus в результате латерального переноса.

Рисунок 1. Схема строения генома гипертермофила Aquifex aeolicus. Светлыми кружочками показаны гены, перешедшие из геномов архебактерий. Блоки таких генов обведены рамками.

Перенос генов удалось зафиксировать и количественно оценить не только между термофильными архебактериями, но и между ними и эубактериями, адаптировавшимися к высоким температурам, то есть между разными надцарствами живого. Не менее важные результаты получены при изучении обмена генами между патогенными эубактериями. Недавно показано, что к такому обмену способны бактерии из родов Haemophilus и Neisseria, в частности, генами вирулентности. Это тревожный сигнал для медиков3!

В последнее время латеральный перенос фрагментов ДНК наблюдался уже во многих случаях: так, например, элемент "mariner" генома дрозофилы обнаружен в геноме простейшего, лейшмании, а целые блоки генов двудольных растений - в геномах однодольных.

Существование микроорганизмов с мозаичными геномами ставит перед систематиками сложную задачу. Совсем недавно, отказавшись построить филогенетическое дерево микробов по результатам изучения их фенотипов, микробиологи решили, что разумнее строить систему по молекулярным признакам, по строению генов рибосомной РНК (рРНК). При этом исходили из вполне разумного предположения, что чем более похожи эти гены, тем в более близком родстве находятся сравниваемые виды микробов. Иными словами, решили строить систему по результатам сопоставления всего одного гена, оставив в стороне все остальные. Хотя этот принцип и был положен в основу последнего определителя микробов Берджи, вряд ли он был самый правильный. Ведь число генов даже у наиболее просто устроенных микроорганизмов измеряется сотнями, и создавать систему по результатам изучения всего одного из них, пусть даже филогенетически весьма информативного, по меньшей мере легкомысленно.

Для других систематиков, изучающих более сложно устроенные организмы, такой подход к построению систем - давно пройденный и отвергнутый этап. Представьте себе, например, что мы строим систему семенных растений, исходя только из строения цветка. Образование этого важнейшего органа кодируется множеством генов и дает нам несравненно больше информации о родстве растений, чем сравнительное изучение генов их РНК. Однако такой путь не привел ботаников к успеху. Через некоторое время они убедились, что этот подход не позволяет построить филогенетическую систему растений, в которой группы видов (роды, семейства, порядки и пр.) объединялись бы, исходя из степени их эволюционного родства.

Только комплексное исследование всех признаков ныне живущих и вымерших растений позволило им приблизиться к решению этой проблемы и выдвинуть ряд правдоподобных гипотез об эволюционной истории растений.

Иными словами, микробиологам предстоит выбрать еще какой-нибудь ген, а лучше несколько, изучить их строение не менее тшательно, чем нуклеотидные последовательности гена рРНК, и сопоставить полученные результаты. Такая работа уже начата, и четкие схемы, построенные с помощью одного гена рРНК, постепенно размываются. Микробиологам придется поломать голову над тем, что делать дальше.

Геномика также представляет собой способ комплексного изучения микроорганизмов, но вместо фенотипов она исследует их генотипы. Если оказывается, что микроорганизмы легко обмениваются генами, то создается любопытная ситуация: микробы становятся химерами, несущими черты сразу нескольких видов, и, по мере все более подробного изучения их генотипов, все сложнее отнести каждый конкретный вид к какой-то определенной ветви их эволюционного развития.

Для решения этой нелегкой задачи нам, возможно, придется вспомнить и "пространство логических возможностей" Г.А.Заварзина, и другие аналогичные предложения систематиков4. Действительно, к какому отряду млекопитающих пришлось бы отнести кентавров? К рыбам или млекопитающим принадлежат русалки?

Успехи геномики других групп организмов несравненно скромнее. Продолжаются исследования генома человека, крестоцветного растения - арабидопсиса - и других сложно устроенных эвкариот, количество ДНК в которых на порядки выше, чем в геномах микроорганизмов. В настоящее время известны полные первичные структуры всего у двух видов эвкариот: дрожжей и возбудителя малярии. Однако работа над геномами других видов идет все быстрее и близится к завершению. Технический арсенал геномики все время обогащается методами, которые за меньшее время позволяют получать больше информации о строении ДНК. Именно поэтому некоторые специалисты считают, например, что всего через 5-7 лет будут определены полные первичные структуры геномов у представителей всех отрядов млекопитающих5. Получив в свои руки такую информацию, исследователи впервые смогут построить полное молекулярное дерево, отражающее родственные связи между этими животными и сопоставить эти связи со схемами, полученными при помощи классических методов филогенетики и палеонтологии.

Кажется, уже близка давнишняя мечта известного генетика Ф.Добжанского, который 30 лет назад писал: "Со временем нам, возможно, станет известной последовательность генетических "букв", нуклеотидов, во всех генах у всех организмов. Тогда окажется возможным количественно оценить сходства и различия между ними и создать на этой основе классификации живых существ, основанные на точной информации об их генетической составляющей..."6 Правда, пока неясно, будут ли схемы, построенные на основании изучения фенотипов и генотипов, топологически подобны. Ведь в процессах молекулярной и организменной эволюции есть ряд специфических особенностей, которые не позволяют считать, что эволюция фенотипов всегда полностью повторяет эволюцию генотипов. Так обстоят дела с животными. Что же касается растений, то заниматься геномикой этой группы высших эвкариот несравненно сложнее: размер генома у них, как правило, гораздо больше, чем у животных. Геносистематики не случайно выбрали для своих опытов именно арабидопсис: у него один из самых маленьких геномов среди покрытосеменных растений (у некоторых лилий, например, он чуть ли не в 1000 раз больше).

Но, как говорится, голь на выдумку хитра. Поняв, что ядерный геном большинства растений сегодня геномике не по зубам, они обратили свое внимание на геномы органелл - хлоропластов и митохондрий. Я расскажу лишь о результатах, полученных при изучении геномов хлоропластов.

Основы для геномики пластид растений были заложены давно. Еще в самом начале применения методов определения нуклеотидных последовательностей ДНК японские ученые попытались прочитать полные первичные структуры хлоропластных ДНК (хпДНК) двух далеко отстоящих друг от друга видов высших растений: примитивного бриофита - маршанции и одного из продвинутых видов покрытосеменных - табака. Вскоре эта задача была успешно решена7. К удивлению исследователей, хпДНК этих двух удаленных видов оказались весьма схожими, но не настолько, чтобы не заметить произошедшие в них в ходе эволюции изменения. Однако, чтобы составить представление об эволюции всех высших растений, необходимо знать структуры хпДНК по крайней мере у одного представителя из каждого крупного таксона. Но такие исследования развивались хаотически: одни считали, что прежде всего нужно определить строение ДНК у хозяйственно важных видов (риса, кукурузы и т.п.), а другие, увлеченные эволюционными проблемами, исследовали хпДНК сосны, папоротникообразного растения псилота и других видов. К началу 1999 г. достоверно было известно строение хпДНК около десяти видов высших растений.

Рисунок 2. Схема строения хпДНК трех видов высших растений: маршанции, табака и риса. В основу положена хпДНК табака (156 тыс. пар нуклеотидов). Показано расположение отдельных генов в этой хромосоме. Снаружи кольца - гены, которые транскрибируются против часовой стрелки, а изнутри - по часовой стрелке. Кружочками обведены гены, присутствующие в хпДНК табака и маршанции, но отсутствующие в хпДНК риса. Цветом показаны гены, общие для табака и риса, но отсутствующие у маршанции. Ген, имеющийся только в хпДНК табака, выделен черным прямоугольником. Звездочками обозначены гены, имеющие во всех трех хпДНК одинаковые интроны. Цветные звездочки указывают на гены, интроны в которых есть только у маршанции и табака. Утолщенные части кольцевой хромосомы - обращенные повторы в геноме табака. Такие же утолщенные линии внутри и снаружи центральной хромосомы соответствуют обращенным повторам в хпДНК маршанции и риса. Участки, делетированные из обращенных повторов риса (при сопоставлении с хпДНК табака), на этих линиях показаны диагональной штриховкой. Скобкой внутри выделен участок, инвертированный в хпДНК маршанции. Пронумерованные скобки снаружи кольца указывают на инверсии в хпДНК риса. Гены обозначены общеупотребительными символами. ORF - открытые рамки считывания (т.е. участки геномов, которые могут кодировать белки). (Palmer J.D. // TIG. 1990. V.6. P.115-120.)

Конечно, прочитать первичную структуру хпДНК несравненно легче, чем, скажем, ядерного генома арабидопсиса, но все же требует не меньших усилий, чем изучение строения генома микроба. И тут, что называется, геносистематиков растений бес попутал. Вместо этой тяжелой, но нужной работы, они занялись сравнением отдельных ядерных, хлоропластных и митохондриальных генов, надеясь, что таким, более легким, путем они быстрее разгадают тайну эволюции высших растений. При этом они, как правило, не утруждали себя поисками наиболее подходящего для этих целей гена или другого участка хпДНК, а пошли по принципу "поиска кошелька под фонарем".

В качестве основного объекта исследований первоначально взяли два гена: один из них кодировал структуру 18S рРНК, а другой - одну из субъединиц ключевого фермента фотосинтеза, ген rbcL. К началу 1999 г. структуру гена 18S рРНК определили у более чем 400 видов высших растений, а число изученных генов rbcL перевалило за 2.5 тыс. Однако уже в 1996-1997 гг. стало ясно, что работа эта ведется в значительной мере впустую: как показал специальный анализ, проведенный учеными Гарвардского университета, построить на основании этих результатов достаточно устойчивые филогенетические деревья высших растений в принципе невозможно8.


1Kunst F., Ogasawara N., Moszer I. et al. // Nature. 1997. V.390. P.249-256.
2Aravind L., Tatusov R.I., Wolf Yu.I., Walker D.R., Koonin E.V. // TIG. 1998. V.14. P.442-444.
3Kroll J.S., Wilks K.E., Farrant J.L., Langford P.R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. V.95. P.12381-12385.
4Заварзин Г.А. Пространство логических возможностей в многообразии бактерий и филогения // Природа. 1979. N 6. С.9-19.
5O'Brien S.J., Weinderg J., Lyons L.A. // TIG. 1997. V.13. P.393-399.
6Dobshansky Th. Genetics of the evolutionary process. Columbia Univ. Press. N.Y.; L., 1970. P.414.
7Shinozaki K., Ohme M., Tanaka M. et al. // EMBO J. 1986. V.5. P.2043-2049; Ohyama K., Fukuzawa H., Kohchi T. et al. // Nature. 1986. V.322. P.572-574.
8Kellog E.A., Juliano N.D. // Amer. L. Bot. 1997. V.84(3). P.413-428.

Вперед


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования