Матричный принцип, как основа современной эволюционной теории презентация

все-таки наличествует — во всяком случае на нашей планете, а по-видимому, и в космическом масштабе — лишь в связи с жизнью, ведет к тому, что логически вытекающий из принципа конвариантной редупликации принцип естественного отбора является действительно единственным всеобщим биологическим принципом».

конвариантной редупликации и изменчивости редуплицируемых структур»

Два биологических макропринципа:

принцип отбора (специфически биологический);
принцип конвариантной редупликации (подлежит физическому объяснению).

мутирует как целостная структура и контролирует определённый признак организма.
Н.В.Тимофеев-Ресовский, М.Дельбрюк, К.Циммер, А. Серебровский и др.: с помощью воздействия ионизирующего излучения на мутационный процесс изучены размер, протяжённость, структура и делимость самого гена.

одного фермента.
Дж. Уотсон и Ф. Крик: идентификация гена как участка молекулы ДНК, завершившаяся расшифровкой свойств самого генетического кода.
Ф. Жакоб и Ж. Моно: явление генетического контроля синтеза ферментов у бактерий - механизм регуляции активности генов.
С. Бензер и Ч. Яновский: наименьшей изменяемой единицей в пределах гена является пара нуклеотидов.

синтезируется белковая молекула.
Этот поток является дорогой с односторонним движением: информация, попавшая в белок, оттуда не возвращается! Т.е., не может быть синтезирована кодирующая последовательность ДНК на основе белковой последовательности аминокислот.

линии — процессы обычные, а штриховые — редкие для живых систем.

ДНК, определяет последовательность оснований дочернего полимера — РНК, а та — последовательность аминокислот в белковой цепи.
Перенос информации возможен только от ДНК к белкам, но не в обратном направлении. Фактически „центральная догма“ — современный (молекулярный) аналог принципа А.Вейсмана о ненаследовании приобретённых признаков (Crick H.F. С, 1958)

ярко отразившуюся во фразе-каламбуре Жака Моно:
«What is true for E.coli, is true for E.lephant»
(«Что справедливо для кишечной палочки, справедливо и для слона»)

Принцип биологической универсальности
дополняется
принципом биологической специфичности

контролирующие биосинтез аминокислоты гистидина у бактерии Salmonella typhimurium (А), собраны в оперон, представляющий собой единицу регуляции. Все эти гены „переписываются“ на одну молекулу мРНК, которая служит матрицей для синтеза отдельных белков-ферментов, которые и осуществляют все 10 этапов биосинтеза гистидина.

в биосинтезе гистидина кодируют несколько разных генов, разбросанных по разным хромосомам (группам сцепления) (Инге-Вечтомов, 1989, с. 479)

Эволюция генома идет по пути автономизации генов

запросы

Ген b находится внутри гена a, а ген e перекрывает часть гена d. Генетический код на одном и том же участке генетического материала считывается в разных фазах, т. е. со сдвигом на один или два нуклеотида.
На одном и том же участке генетического материала можно закодировать два разных белка
(Ф. Айала, Дж. Кайгер, 1988)

Геном бактериофага φX 174, паразитирующего на бактерии Escherichia coli.

тиражирования (дуплицирования) существующих генетических структур и их дальнейшей дивергенции.

Тенденции в эволюции генома 

Блочный принцип: всё существующее генетическое разнообразие произошло за счёт тиражирования и комбинаторики относительно небольшого числа исходных генетических структур.

генетической информации.

Интроны (Mattick, Gagen, 2001; Fedorova, Fedorov, 2003) содержат большое разнообразие регуляторных элементов, влияющих на экспрессию генов — сайты связывания транскрипционных факторов, энхенсеры, альтернативные промоутеры, сайты метилирования и т.д. (Kolchanov et al., 2002).
Т.е., «рыхлый» геном эукариот обеспечивает лучшие условия для взаимодействия различных кодов, чем «плотный» геном прокариот.

E.A., Ananko E.A. et al.. GeneNet database: description and modeling of gene networks // In Silico Biol. 2002. Vol. 2. No. 2. P. 97-110.

from alternative splicing: a challenge for bioinformatics and post-genome biology // Cell. 2000. V. 103, № 3. P. 367-370.

(на порядки больше размера его кодирующей части).

При количестве сайтов связывания регуляторных белков равном-N количество состояний регуляторного района равно 2N. При N=20 это около миллиона состояний!

С огромной емкостью регуляторного кода согласуется незначительная (6—15% от протеома) доля белков-регуляторов транскрипции у разных эукариот (Hermoso et al., 2004, The Gene..., 2004)

Блочно-комбинаторный принцип кодирования генетической информации у эукариот — ароморфоз, позволивший фактически безгранично наращивать сложность генетических программ без существенного роста размеров геномов.

Эпигенетическое репрограммирование - стирание и установление родительских импринтов происходит в линии зародышевых клеток. Родительские импринты стираются в примордиальных половых клетках, в которых имеют место деметилирование ДНК, биаллельная экспрессия импринтированных локусов и реактивация X-хромосомы.

белков семейств Polycomb.
У плацентарных млекопитающх белки семейства Polycomb участвуют также в поддержании геномного импринтинга, обеспечивающего родитель-специфичную инактивацию одной из копий генов диплоидного организма, предотвращая партеногенез.
Эпигентическая разметка, в отличие от генетической регуляции, может стираться под влиянием среды (например, холодовой импринтинг) (Kohler, Grossniklaus, 2002; Bastow et al., 2004).

Bastow R., Mylne J.S., Lister C. et al. 2004. Vernalization requires epigenetic silencing of FLC by histone methylation // Nature. Vol. 427. No. 6970. P. 164-167.
Kohler C., Grossniklaus U. 2002. Epigenetics: the flowers that come in from the cold // Curr. Biol. Vol. 12. No. 4. P. R129-R131.

Георгиев Свойства, механизмы действия инсуляторов высших эукариот их роль регуляции транскрипции // Генетика. 2006. Т.42, № 8. С. I029-1044.

альфа-глобина в примитивных эритроцитах цыпленка;
комплекс транскрипционных факторов Sp1 и NF-1 блокирует экспрессию того же гена в дефинитивных эритроцитах. Вероятность образования того или иного комплекса зависит от концентрации транскрипционных факторов (обозначена знаками +) на соответствующей стадии развития (Knezetic, Felsenfeld, 1993).

Комбинаторика белок-белковых взаимодействий
(образование сложных молекулярных регуляторных комплексов)

паралогов. Их дивергенция — всецело следствие накопленных в них мутаций.
Различная эпигенетическая регуляция лишь нарушает нейтрализацию таких мутаций, время от времени вводя их в сферу отбора.

Такая концепция согласуется с ранее высказанной идеей об эволюционной роли фенотипической супрессии, вызванной прионизацией (Инге-Вечтомов, 1998, 2000).

Инге-Вечтомов С.Г. Прионы дрожжей и центральная догма молекулярной биологии // Вестн. РАН. 2000. Т. 70. № 4. С. 299-306.
Инге-Вечтомов С.Г. Общая биология и частная генетика прионов // Вестник ВОГиС. 1998. Т. 2. № 4.

прионного белка PrP. Этот белок в норме присутствует на мембранах нейронов и выполняет какие-то полезные функции, связанные с передачей сигналов.

Chiesa R., Harris D.A. Fishing for Prion Protein Function // PLoS Biol. 2009. 7(3): e1000075).

и коз.
Губчатая болезнь мозга крупного рогатого скота («коровье бешенство»).

альфа-спирали);
b — патологическая» конфигурация (преобладают бета-листы).

α

β

Изображение с сайта www.cogs.susx.ac.uk/users/ctf20

Jiali Li et al. Darwinian Evolution of Prions in Cell Culture // Science. 2010. V. 327. P. 869–872.

a

b

цепную реакцию смены конформации у подобных ей молекул и к образованию миелоидных тяжей и бляшек в тканях головного и спинного мозга (фото справа).

Механизм развития прионных «медленных инфекций»
(по Prasiner, 1996a,b)

E2F-1/DP-1 активирует кассету генов, запускающую переход из G1 в S фазу клеточного цикла,
добавление в этот комплекс белка pRB ингибирует ту же кассету (Turnaev, Podcolodnaya, 2002).

Альтернативная репрессия и активация генной сети за счет белок-белковых взаимодействий

pRB

pRB

E2F-1/DP-1

E2F-1/DP-1

+

-

на эффективность размножения прионов в разных условиях.
Т.е., у прионов есть всё необходимое, чтобы эволюционировать под действием естественного отбора.
Не ясно, может ли естественный отбор у прионов быть «накопительным», то есть создавать новые свойства путем последовательного закрепления множества небольших наследственных изменений.

Jiali Li et al. Darwinian Evolution of Prions in Cell Culture // Science. 2010. V. 327. P. 869–872.

с дополнением

Дарвин и современная биология. СПб. : Нестор-История, 2010. — 820 с.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ СПОСОБ КЛАССИФИКАЦИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ

1) конвариантная редупликация и отбор, 2) блочный принцип и негэнтропия, 3) ограниченность пространства и неограниченность времени. Интроны: 1) участки гена без кодирующих последовательностей, 2) участки гена с кодирующими последовательностями, 3) транскрипционные факторы.
Патогенная форма прионов: 1) мозаичная структура, 2) α -спирали, 3) β -листы.