Головна
Реферати » Реферати з біології » Молекулярні механізми генетичної ізоляції

Молекулярні механізми генетичної ізоляції

Молекулярні механізми генетичної ізоляції

Б.М. Медников, Е.А. Шубіна, М.Н. Мельникова

Дарвін не даремно назвав свою головну працю "Походженням видів". Він розумів, що видоутворення - основний процес біологічної еволюції. Здається дивним, що в біології немає досі загальноприйнятого визначення виду. Всі ми розуміємо, що кінь і зебра, тверда і м'яка пшениці - різні види. Але спроби дати визначення цієї структурної одиниці класифікації, загальне для всієї живої природи, наштовхуються на серйозні труднощі.

Термін "вид" вперше був запропонований ще Аристотелем як сукупність об'єктів, що об'єднуються за схожістю. Лише через 2000 років, 1693 р., англійський натураліст Дж.Рея надав поняттю "вид" біологічний сенс. Згідно Рею, біологічний вид - це сукупність особин, які об'єднуються за двома критеріями: практичної тотожності морфологічних ознак і вільному схрещування з відтворенням ознак у потомстві.

Більшість дослідників тепер приходять до висновку, що морфологічний критерій для визначення виду недостатній. Генетики схиляються до другого критерію, виходячи з якого випливає, що самостійність виду підтримується генетичної ізоляцією. Н.В.Тимофеев-Ресовський в одній з лекцій з властивою йому експресією стверджував, що без генетичної ізоляції не було б еволюції - всі виникаючі види в результаті схрещування між собою "заболочуватися" б, був би суцільний scrumbled, Дурниця. Не може бути еволюції без генетичної ізоляції - обмеження обміну генами між виникаючими видами. Це твердження справедливо, однак існують різні механізми, що перешкоджають межвидовому схрещуванню в природі.

Один з таких механізмів - географічна ізоляція, тобто територіальна роз'єднаність видів. У 1870 р. М.Вагнер дійшов висновку, що в одному ареалі може виникнути лише один вид, а стало бути, в різних - різні. Таке видоутворення він назвав географічним. Тепер його іменують аллопатріческім (allos - інший, patris - батьківщина). Дарвін, проте, допускав, що обмін генами може обмежуватися не лише географічним поділом популяцій-засновниць.

Іноді в ізольованому місці проживання з вихідного виду виникають цілі "рої", або, як їх ще називають, "букети" нових видів. Приклади подібного роду - вьюрки Дарвіна з Галапагоських островів, риби і ракоподібні Байкалу, ціхлідових риби Великих африканських озер. Всі вони живуть в одному ареалі, що не схрещуючись, оскільки у них виробилися спеціальні механізми генетичної ізоляції: розмноження в різний час, відмінності в рисах шлюбної поведінки. Як правило, самці і самки різних видів просто не помічають один одного. Однак цей бар'єр легко подолати, наприклад, за рахунок імпринтингу (фіксації). Відомо, що в Євразії мешкають різні види качок і в природі вони практично не схрещуються. Але якщо яйце одного виду качки підкласти в гніздо іншого, що з'явився на світ каченя буде вважати себе представником виду прийомної матері, а ставши дорослою птицею, буде схрещуватися тільки з особинами, до нього належать. Іноді справа доходить до парадоксів. К.Лоренц писав, що пташеня білого павича, що виріс в розпліднику рептилій, потім все життя намагався доглядати за гігантськими черепахами, не звертаючи уваги на найкрасивіших пав. Така ізоляція називається прекопуляціонной. Різні види не утворюють гібридів і зберігають свою самостійність, тому що просто не спарюються. Цей спосіб найбільш поширений у вищих організмів, в першу чергу у птахів і ссавців.

Однак є численні випадки, коли такий міжвидовий бар'єр відсутній, але гібриди проте чи не утворюються, або бувають безплідні, тобто стерильні. Класичний приклад - стерильність мулів (гібридів від осла з кобилою) і лишків (народжених від схрещування ослиці з жеребцем). Найбільше буває міжвидових гібридів серед рослин і нижчих тварин, скажімо, риб. Чому ж такі гібриди безплідні? Генетики раніше вважали, що справа в різному числі хромосом перехресних видів. У осла, наприклад, 62 хромосоми, у коня - 64, а в зрілих статевих клітинах - 31 і 32 відповідно. Після їх злиття в зиготі виявиться 63 хромосоми, які не можуть розділитися порівну при утворенні гібридних гамет. Тому у гібридного потомства статеві клітини будуть дефектними за кількістю хромосом, а значить, і нежиттєздатними.

Але це правило далеко не абсолютно. Повна генетична ізоляція між видами з різним числом хромосом зовсім не завжди обов'язкова. Більш того, існуй вона, еволюція не могла б йти - адже зміна числа хромосом - одиничний акт. Якщо "хромосомна" ізоляція була б абсолютною, особина, що зазнала мутації, вмирала б на самоті, не залишивши потомства.

Ми знаємо багато різних видів з однаковим числом хромосом, знаємо і внутрішньовидові форми з різним числом таких. Звести генетичну ізоляцію до коливання хромосомних чисел не представляється можливим.

У нашій лабораторії вже багато років ведуться роботи з пошуку якогось молекулярного критерію виду. Проте всі методи, в яких використовувалася ДНК, були або недостатньо чутливими, або надмірно трудомісткими. Для цілей систематики рекомендувати їх було не можна.

Допомога прийшла до нас, коли були відкриті рестріктази - ферменти, що розщеплюють нитки ДНК по строго певних ділянок нуклеотидноїпослідовності. Один з таких ферментів - рестриктаза EcoRI (вперше виділена з бактерії Escherichia coli штаму R). Вона розщеплює ДНК на ділянках ГААТТЦ між гуаніном (Г) і аденіном (А). Після обробки розчину ДНК цієї рестриктазою виходить суміш фрагментів різної довжини, яку поділяють електрофорезом в агарозному або поліакриламідному гелі і профарбовують спеціальним флуоресцентним барвником. У результаті в плівці гелю утворюється набір смуг - своєрідний спектр фрагментів різної довжини, які далі можна ідентифікувати, якщо в тому є необхідність, або порівнювати спектри різних видів.

За допомогою такого рестріктазного аналізу отримано багато даних за подібністю і розбіжностям окремих генів, сателітних і мітохондріальних ДНК, ДНК вірусів і бактерій. Однак досить важко використовувати цей метод для з'ясування спорідненості організмів з ядерної ДНК. Пов'язано це з тим, що більша частина геномної ДНК тварин, рослин і грибів являє собою унікальні нуклеотидні послідовності. Так як місця рестрикції в них розподіляються нерегулярно, в продуктах розщеплення утворюється суміш фрагментів, які чітко відокремити один від одного електрофорезом неможливо.

Окрім унікальних послідовностей, в ДНК є і багаторазово повторювані, або просто повтори. Вони розрізняються довжиною, розташований у геномі і кількістю копій (їх буває від кількох десятків до мільйона). Саме множинність копій повторюваних послідовностей робить поділ рестріктазного фрагментів ядерної ДНК успішним. Зауважимо, функція більшості повторів невідома, більше того, існує припущення, що вони не грають ніякої ролі. У нашій лабораторії висловлювалася гіпотеза про їх регуляторної функції, яку можна уподібнити артикль, закінчення і приводи в письмовому тексті.

Перші два учасника (Медников і Шубіна) розробили метод, що дозволяє використовувати рестріктазного аналіз ядерної ДНК. Після попереднього видалення унікальних послідовностей повтори піддавалися ферментативному розщепленню і поділу електрофорезом. Цим методом була досліджена ДНК тихоокеанських лососів (кети, горбуші, чавичі, нерки, кижуча і Сіми) у розрахунку відшукати показник, який дозволив би відрізнити одне нерестовое стадо риб від іншого (тобто що заходять на нерест в різні річки). Але результат виявився протилежним: набір рестріктазного фрагментів повторюваних послідовностей ДНК для кожного виду риб був специфічним і не залежав від статі, віку та приладдя до нерестового стада. Напрошувався висновок, що знайдено абсолютний критерій виду - мрія кожного систематика.

В принципі будь-який вид далекосхідних лососів, замість довгого морфологічного опису, можна охарактеризувати спектром рестріктазного фрагментів. Для кети він виглядає як Msp1 - 100, 250, 400, 550, 650, 800; Pst1 - 100, 250, 400, 550, 650, 800, 1700; Alu1 - 100, 250, 400, 550, 650, 800 (абревіатурою позначені назви рестриктаз, числами - кількість пар нуклеотидів, тобто довжина фрагментів). Примітно, що цей спектр був однаковим у кети і з річок Примор'я, і ??з Анадиря. У горбуші він інший: Msp1 - 200, 420, 640; Pst1 1250, 1300, 1700, 2350, 2650; Alu1 - 250, 350, 520, 630, 680.

Результат нас не тільки здивував, але й засмутив, тому що ми шукали генетичні відмінності стад всередині одного виду. Та й як видового критерію спектр виявився мало придатний, оскільки його визначення за нашою методикою було досить трудомістким. Це, до речі, ахіллесова п'ята щойно розроблених нових методів. Вперше прокладена дорога виявляється найважчим і нерідко забувається.

Наша ідея воскресла після роботи В.В.Гречко (Інститут молекулярної біології РАН) і А.Н.Федорова (Інститут молекулярної генетики РАН), які запропонували простіший спосіб (він названий методом таксонопрінтов), що дозволяє вивчати розподіл фрагментів повторюваних послідовностей. За цим методом ДНК гидролизуют короткощепящімі рестриктазами без відділення унікальних послідовностей від повторюваних, а що утворилися полінуклеотіди мітять радіоактивним фосфором (32Р) по кінцевим залишкам. Після цього суміш розділяють електрофорезом, виявляють фрагменти за допомогою радиоавтографии і в підсумку отримують їх спектр, або таксонопрінт.

Результати дослідження об'єктів методом таксонопрінтов і нашим колишнім способом виявилися подібними. Які ж молекулярні характеристики виду і популяцій нам вдалося отримати?

Таксонопрінти окремих популяцій всередині виду (від риб і ящірок до людини) ідентичні. Не відрізняються вони і в більшості географічно ізольованих популяцій. Наприклад у пустельних вухатих їжаків спектр фрагментів ДНК однаковий, незалежно від того, мешкають тварини в околицях Ашхабада, Кара-Коли чи Ташкента [1]. Ідентичні таксонопрінти кети, що нереститься в

Сторінки: 1 2 3