Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и молекулярная гомология генов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и молекулярная гомология генов

Ю.В. Чесноков

Аннотация

Рассматривается важнейшее обобщение Н.И. Вавилова в области генетики -- закон гомологических рядов в наследственной изменчивости в приложении к современным исследованиям молекулярной эволюции генов и геномов. Высокая гомология генов родственных видов, а также их регуляторных элементов подтверждена сравнительным анализом аминокислотных и нуклеотидных последовательностей. Закон гомологических рядов Н.И. Вавилова и современные методические технологии позволяют на основе соединения молекулярной и классической генетики более полно раскрыть потенциал изменчивости генетических ресурсов растений, который заключен в гермплазме сохраняемых в генных банках семян.

Ключевые слова: закон гомологических рядов, молекулярная гомология генов, регуляторные элементы.

Summary

LAW OF HOMOLOGOUS SERIES IN HEREDITARY VARIABILITY AND MOLECULAR HOMOLOGY OF GENES

Yu.V. Chesnokov

The author considers the most important N.I. Vavilov's generalization in genetics -- the low of homologous series in hereditary variability in application to modern investigations in molecular evolution of genes and genomes. The high genes homology in related species and also their regulatory elements was confirmed by comparative analysis of amino acid and nucleotide sequences. The N.I. Vavilov's law of homologous series and modern methodical technologies permit on the basis of classical genetics in combination with molecular one to reveal in full measure the potential of variability of plant genetic resources which is contained in germplasma of seeds keeping in gene banks.

Основная часть

Два важнейших и основополагающих открытия великого русского ученого Н.И. Вавилова, сделанные им при изучении культурных и полукультурных видов и разновидностей растений в местах их возникновения, -- учение о центрах происхождения культурных растений и закон гомологических рядов в наследственной изменчивости (1, 2). В генетическом аспекте теория центров происхождения и формирования культурных растений дала импульс развитию таких научных дисциплин, как геногеография, экологическая и популяционная генетика, одной из областей которых является изучение генного состава популяций в зависимости от истории их происхождения, положения в ареале вида, географических факторов и эколого-генетических условий существования. Однако главным обобщением Н.И. Вавилова в области генетики всегда признавался сформулированный им закон гомологических рядов, который был представлен на 3-м Всероссийском селекционном съезде в Саратове в 1920 году. В материалах съезда мы читаем: «Н.И. Вавилов заметил удивительную повторяемость, или периодичность, признаков в различных группах и рядах растительного мира, которая дает возможность предсказывать существование неизвестных еще форм наподобие того, как периодическая система Менделеева давала возможность предсказывать существование неизвестных элементов» (3). Закон гомологических рядов немедленно взяли на вооружение современники Н.И. Вавилова, преимущественно растениеводы, а также систематики и морфологи. Значительно меньше он привлекал внимание генетиков, поскольку с начала 20-х годов прошлого столетия разработка проблемы генотипической гомологии продвигалась очень медленно. Гибридологический анализ как специфический метод классической генетики в основном применим к изучению внутривидовых различий и, как правило, оказывается неадекватным или неприменимым при изучении сходства и различия организмов на уровне разных видов и более высоких таксонов. Однако по мере развития методических приемов и технологий исследований и накопления знаний о структуре и функционировании генов и геномов закон гомологических рядов в наследственной изменчивости позволил по-новому взглянуть не только на фенотипическую изменчивость видов и родов, но и на молекулярно-генетические механизмы эволюционных процессов, происходящих в природе многие миллионы лет.

Первоначально Н.И. Вавилов говорит о гомологии признаков (1), но при последующих изложениях закона гомологических рядов (4, 5) он указывает на необходимость анализа генетической основы сопоставляемых признаков: «Исходя из поразительного сходства в фенотипической изменчивости видов в пределах одного и того же рода или близких родов, обусловленного единством эволюционного процесса, можно предполагать наличие у них множества общих генов наряду со спецификой видов и родов. Большое число фактов указывает на сходство основных генов у близких видов и близких родов… До сих пор, строго говоря, речь шла о фенотипических различиях… Но у нас нет сомнения, что те же самые правила применимы также и к генотипической изменчивости». Принципиально новые факты, подтверждающие эти поистине пророческие слова Н.И. Вавилова, стали появляться и быстро накапливаться со второй половины 70-х годов прошлого столетия благодаря достижениям молекулярной генетики. Остановимся на некоторых примерах роли и места закона гомологических рядов в современной генетике и его интерпретации с позиций молекулярной генетики.

Молекулярная гомология генов. Установление истинной гомологии генов всегда было трудной задачей. Особи разных видов, как правило, не скрещиваются, но, как известно, в классической генетике именно гибридологический анализ (то есть изучение гибридов и их потомства) позволяет понять, разными или одними и теми же генами определяются сходные признаки двух организмов. Начавшиеся с 1950-х годов работы по расшифровке аминокислотных последовательностей белков и проведению их сравнительного анализа положили начало сравнительной молекулярной генетике (в частности изучению молекулярной эволюции). Появилась возможность, основываясь на центральной догме молекулярной биологии «один ген -- один белок» и генетическом коде, реконструировать нуклеотидные последовательности генов по первичной структуре белка, а также судить о сходстве и различиях генов у организмов, в том числе из разных порядков. Создание специализированных компьютерных программ позволяет делать это с достаточной эффективностью, вплоть до представления результатов обработки имеющихся данных о сходстве и различиях первичных структур аминокислотных и нуклеотидных последовательностей в виде эволюционного древа.

Ситуация коренным образом изменилась с 1970-х годов, когда появились методы клонирования и секвенирования нуклеотидных последовательностей отдельных генов и фрагментов ДНК. В сравнительной молекулярной генетике стал быстро накапливаться огромный фактический материал по гомологии генов, который продолжает пополняться в настоящее время и сохраняется в виде единых специализированных компьютерных баз данных, доступных через Интернет. С этого времени началось активное изучение молекулярной гомологии генов у организмов разного уровня организации. К таким работам относится анализ молекулярной гомологии последовательностей генов двух белков, специфичных для семян растений, а также нуклеотидных последовательностей регуляторных элементов (промоторов) этих и некоторых других генов.

Ген легумина В4 кодирует типичный 12S глобулин В-типа бобов конских Vicia faba L. (6). Он экспрессируется в позднем эмбриогенезе в процессе созревания семян, а также в гетерологичных системах трансгенных растений Nicotiana tabacum, N. plumbaginifolia и Arabidopsis thaliana (7, 8). Так называемый ген USP (unknown seed protein -- неидентифицированный белок семян) представляет собой еще один маркерный ген семян растений, который в изобилии транскрибируется в мРНК (9, 10). Хотя продукты гена USP и гена rd22 резушки Тале, активность которого индуцируется засухой, проявляют частичную гомологию аминокислотной последовательности, функция гена USP не выяснена (11). Частичную симилярность аминокислотной последовательности продукту гена USP имеет и ряд других белков: ауксинзависимый и индуцируемый алюминием белки Glycine max, белок с высоким содержанием ароматических аминокислот, а также бета-субъединица изофермента полигалактуронидазы томата. Еще одним членом этого семейства является ген, активность которого индуцируется в течение микроспорогенеза Brassica napus (12). Гомология аминокислотных последовательностей перечисленных белков в основном связана с С-концевым U-доменом с характерным регулярно повторяющимся (СН)-мотивом (цистеин-гистидин), специфично дополняющим другие высококонсервативные аминокислотные позиции. Сравнительный аминокислотный анализ части U-домена ряда белков представлен на рисунке 1. Хотя функции большинства из перечисленных белков до конца пока не известны, наличие в их структуре U-домена, согласно закону гомологических рядов Н.И. Вавилова, указывает на то, что все они имеют сходные или гомологичные функции. Например, характерная особенность расположения СН-мотива может означать определенную специфичность пространственной молекулярной координации атомов металла, с которыми они могут связываться.

Рис. 1 Сравнительный анализ первичных аминокислотных по-следовательностей U-домена

С-концевые мотивы были проанализированы с помощью компьютерных программ CLUSTAL и PC/GENE (в скобках даны регистрационные номера последовательностей в базах данных): USP (X13242) -- белок семян Vicia faba; ADR (X69639) -- ауксин-зависимый белок Glycine max; ALU (U64866) -- индуцируемый алюминием белок Glycine max; RDA (D10703) -- индуцируемый засухой белок Arabidopsis thaliana; POL (U63373) -- бета-субъе-диница изофермента 1 полигалактуронидазы плодов томата Lycopersicon esculentum; ARO (U64790) -- богатый ароматическими аминокислотами гликопротеин Lycopersicon esculentum. СН-мотивы внутри U-домена подчеркнуты.

Молекулярная гомология регуляторных элеме-нтов. Одним из наиболее важных регуляторных элементов генов является их промоторная последовательность. С регуляцией генной экспрессии запасных белков семян растений, как оказалось, связано несколько классов промоторных мотивов. Большинство из них было идентифицировано на основе закона гомологических рядов в наследственной изменчивости благодаря консервативной филогенетической гомологии на молекулярном уровне (13, 14). Одним из наиболее известных cis-мотивов, вовлеченных в экспрессию генов специфичных для семян белков, является RY-мотив -- CATGCATG (15-17). Он широко распространен в промоторах генов, специфичных для семян как дву-, так и однодольных растений, и представляет собой сердцевину (коровый участок из 28 п.н.) легуминового бокса (6). Для усиления экспрессии генов требуется взаимодействие между этим мотивом и дистальными элементами промотора, а удаление RY-мотива приводит к потере специфичной для тканей семян промоторной активности и соответствующему снижению генной экспрессии, что свидетельствует о влиянии RY-мотива на функциональную активность генов. Кроме того, RY-мотив репрессирует экспрессию генов в других тканях растений (17).

Ранее в ряде экспериментов было наглядно продемонстрировано, что RY-мотив усиливает действие легуминового промотора, а первичная структура самого мотива существенна для его функции (15-17). На молекулярном уровне нуклеотидная последовательность CATGCATG представляет собой своеобразный «молекулярный вектор», в котором чередуются пурины и пиримидины. Этот тип нуклеотидного мотива, как предполагают, отвечает за обеспечение специфичной молекулярной гомологии посредством конформационных изменений молекулы ДНК (так называемая Z-ДНК) и является элементом регуляции генной активности (18). На языке закона гомологических рядов это означает, что транскрипционная регуляция генной экспрессии зависит от специфичного взаимодействия промоторных элементов и транскрипционных факторов. Коротко рассмотрим вторичную молекулярную структуру некоторых транскрипционных факторов (рис. 2). Два из известных факторов транскрипции (I-2 и I-20) содержат bZIP-мотив, который является ДНК-связывающей последовательностью. Интересно, что у фактора I-20 мотив bZIP совмещен с дополнительным мотивом «цинкового пальца». Это говорит о том, что данный мотив может взаимодействовать с двумя различными по своей структуре нуклеотидными последовательностями ДНК. В то же время транскрипционные факторы I-12 и I-P1 демонстрируют раздельную молекулярную гомологию соответственно как с потенциальным РНК-связывающим фактором, так и с белком, содержащим HMG-бокс.

Рис. 2 Схема структуры trans-действующих транс-крипционных факторов, вовлеченных в регуляцию экспрессии некоторых генов семян растений: bZIP -- основная область и лейцин-зипперный мо-тив; К -- ядерный направляющий мотив; ZnF -- мотив «цинкового па-льца»; HMG -- ДНК-связывающий мотив генов, белки которых содержат группы с высокой молекулярной подвижностью; R -- потенциальный РНК-связывающий мотив. Факторы, кодирующие гены или их кДНК, были выделены на основе молекулярной гомологии нуклеотидной последовательности специфичных мотивов промоторов генов легумина В4 и USP

Особый интерес вызывает транскрипционный фактор I-1. Он характеризуется двумя богатыми цистеином повторами в С-концевой части молекулы. Гомологичный ему фактор был выделен из семядолей Brassica napus при использовании cis-мотивов промотора гена напина в качестве гомолог-специфичной пробы (12). Тот факт, что гомологичные по своей молекулярной структуре факторы были выделены с помощью гомологичных последовательностей различных специфичных для семян промоторов из растений двух видов, наглядно демонстрирует достаточно универсальный характер закона гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И. Вавилова и возможность его применения при разработке новых стратегий по интродукции, изучению и использованию генетических ресурсов, сохраняемых в генных банках семян.

Выводы

Итак, мы рассмотрели примеры, подтверждающие высокую степень молекулярной гомологии генов у близких (и не только) видов растений и сохранения сходства отдельных генов на молекулярном уровне у представителей разных классов, типов и даже семейств, а также подобия регуляторных элементов, определяющих экспрессионную активность генов. Уже сейчас накопленные данные достаточно многочисленны и продолжают пополняться. За всем этим стоит фундаментальная проблема молекулярной эволюции генов и геномов. К сожалению, пока основное внимание ученых, как правило, уделяется исследованию скорости эволюции генов и накопления в них различного рода замен, а также селективного значения происходящих на молекулярном уровне изменений. На самом деле проблема гораздо шире. До сих пор не разработаны такие ее аспекты, как различия в скорости молекулярной эволюции генов в зависимости от их функциональной активности и от общей дивергенции геномов, приобретение генами новых функций и утрата гомологии на уровне ДНК при сохранении функции. И, наконец, до сих пор не удается соотнести молекулярную и морфофизиологическую эволюцию, функции генов и геномов -- для этого необходимы дополнительные данные о молекулярной гомологии и молекулярной эволюции генов, определяющих морфологические признаки, которым уделяли и уделяют основное внимание не только систематики и эволюционисты, но и генетики и селекционеры. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И. Вавилова и современные методические технологии дают исследователям уникальный шанс найти точки соприкосновения молекулярной и классической генетики и на этой основе полнее раскрыть потенциал изменчивости генетических ресурсов растений, заключенный в гермплазме сохраняемых в генных банках семян.

вавилов ген нуклеотидный последовательность

Литература

1. Вавилов Н.И. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Саратов, 1920.

2. Вавилов Н.И. Центры происхождения культурных растений. Л., 1926.

3. Центральный государственный архив народного хозяйства СССР. Фонд 478. Опись 22. Ед. хр. 9. Л., 134.

4. Vavilov N.I. The low of homologous series in variation. J. Genet., 1922, 12: 46-89.

5. Вавилов Н.И. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. В кн.: Н.И. Вавилов. Избранные произведения в двух томах. т. 1. Л., 1967: 9-61.

6. Bдumlein H., Wobus U., Pustell J. e.a. The legumin gene family: structure of a B type gene of Vicia faba and a possible legumin gene specific regulatory element. Nucl. Acids Res., 1986, 14: 2707-2720.

7. Bдumlein H., Boerjan W., Nagy I. e.a. Upstream sequences regulating legumin gene expression in heterologous transgenic plants. Mol. Gen. Genet., 1991, 225: 121-128.

8. Chesnokov Yu.V., Meister A., Manteuffe l R. A chimeric green fluorescent protein gene as an embryogenic marker in transgenic cell culture of Nicotiana plumbaginifolia Viv. Plant Sci., 2002, 162: 59-77.

9. Bassьner R., Bдumlein H., Huth A. e.a. Abundant embryonic mRNA in wild bean (Vicia faba L.) codes for a new class of seed proteins: cDNA cloning and characterisation of the primary translation product. Plant Mol. Biol., 1988, 11: 321-334.

10. Fiedler U., Filistein R., Wobus U. e.a. A complex ensemble of cis-regulatory elements controls the expression of a Vicia faba non-storage seed protein gene. Plant Mol. Biol., 1993, 22: 669-679.

11. Yamaguch i-Shinozak i K., Shinozak i K. The plant hormone abscisic acid mediates the drought-induced expression but not the seed-specific expression of rd22, a gene responsive to dehydration stress in Arabidopsis thaliana. Mol. Gen. Genet., 1993, 238: 17-25.

12. Boulitier K., Hattor i J., Quellet T. e.a. Genes encoding an AP2 and a BORP domain protein are expressed during Brassica microspore and zygotic embryogenesis. In: Abstr. 5th Intern. Congress of Plant Molecular Biology. Singapore, 1997: 26.

13. Thomas T.L. Gene expression during plant embryogenesis and germination: an overview. Plant Cell, 1993, 5: 1401-1410.

14. Morton R.L., Ouiggin D., Higgins T.J.V. Regulation of seed storage protein gene expression. In: Seed development and germination /J. Kiegel, G. Galili (eds.). N.Y., 1995: 103-138.

15. Dickinson C.D., Evans R.P., Nielson N.C. RY repeats are conserved in the 5ґ-flanking region of legume seed-protein genes. Nucl. Acids Res., 1988, 16: 371.

16. Lelievre J.-M., Oliveira L.O., Nielsen N.C. 5ґ-CATGCATG-3ґ elements modulate the expression of glycinin genes. Plant Physiol., 1992, 98: 387-391.

17. Bдumlein H., Nagy I., Villarroel R. e.a. Cis-analysis of a seed protein gene promoter: the conservative RY repeat CATGCATG within the legumin box is essential for tissue-specific expression of a legumin gene. Plant J., 1992, 2: 233-239.

18. Aryan A.P., A n G., Okita T.W. Structural and functional analysis of the promoter from gliadin, an endosperm-specific storage protein gene of Triticum aestivum L. Mol. Gen. Genet., 1991, 225: 65-71.

Размещено на Allbest.ru