Биохимическое единство жизни

CTGATCCTCCAAATCACCACAGGACTATTCCTAGCCATGCACTACTCACCAGACGCCTCA 180 L I L Q I T T G L F L A M H Y S P D A S   Здесь показан начальный фрагмент (180 нуклеотидов) митохондриального гена цитохрома b шимпанзе и человека. Митохондриальные гены накапливают мутации примерно в 5-10 раз быстрее, чем ядерные. Поэтому митохондриальные гены человека и шимпанзе различаются на 9%, а ядерные — где-то на 1-2%. Здесь показан митохондриальный ген, потому что если бы мы взяли ядерный ген, сходство было бы очень большим, и нам пришлось бы приводить гораздо более длинную последовательность, чтобы наглядно продемонстрировать характер различий. А вообще ген можно взять практически любой — картина будет качественно одна и та же. Из 60 аминокислот, кодируемых этими 180 нуклеотидами, у шимпанзе и человека различаются только две (4-я и 7-я, выделены красным). Из 60 кодонов (триплетов, троек нуклеотидов) различаются 16, однако только 2 из 16 различий являются «значимыми» (несинонимичными), а остальные — синонимичные, не влияющие на структуру белка. Синонимичные нуклеотидные отличия человека от шимпанзе веделены зеленым цветом и подчеркиванием, несинонимичные — красным цветом и подчеркиванием. Генетическое родство человека и шимпанзе доказывается даже не столько сходством последовательностей, сколько характером различий между ними. Легко заметить, что характер этих различий полностью соответствует предсказаниям эволюционной теории. Больше всего должно быть синонимичных нуклеотидных замен, потому что такие замены не влияют на свойства белка и, следовательно, невидимы для отбора, не отбраковываются им. Именно это мы и наблюдаем. То, что в большинстве случаев (44 из 58) для кодирования одной и той же аминокислоты в геноме человека и шимпанзе используется один и тот же триплет — это еще одно доказательство генетического родства. С точки зрения функциональности нет абсолютно никакой разницы, каким из нескольких триплетов, соответствующих данной аминокислоте, закодировать ее в каждом конкретном случае. Например, аминокислота T (треонин) кодируется любым из четырех кодонов: ACA, ACT, ACG, ACC. Эта аминокислота встречается в одинаковых позициях в рассматриваемом фрагменте белка человека и шимпанзе четырежды. При этом в каждом из четырех случаев она закодирована у обоих видов одним и тем же кодоном (в первых трех случаях это кодон ACC, в четвертом — ACA). Вероятность случайности такого совпадения 0.254 = 0.0039. Если собрать все такие случаи по геномам человека и шимпанзе, вероятность случайности получится невообразимо ничтожной, практически неотличимой от нуля. Таким образом, дело здесь не просто в сходстве ДНК, дело в характере сходства, которое выходит далеко за пределы любой функциональной оправданности. Особенно важно сходство по бессмысленным частям генетического «текста» (сюда относится и использование одинаковых синонимичных кодонов), а также по характерным ошибкам в нем (см. ниже об эндогенных ретровирусах и псевдогенах). Для любого специалиста по сравнительной геномике кровное родство человека и шимпанзе абсолютно очевидно и не вызывает даже тени сомнения. Опытный учитель сразу поймет, что один ученик бездумно списал у другого, если заметит в их сочинениях не только одинаковые мысли (это еще можно объяснить одинаковыми намерениями авторов), но и одинаковые фразы, используемые для их выражения, а особенно — одинаковые ошибки и одинаковые сорные словечки в одних и тех же местах текста. Все эти бесспорные признаки единства происхождения (а не независимого сотворения) в величайшем изобилии присутствуют в геномах близкородственных видов, каковыми являются человек и шимпанзе. Сравним теперь аминокислотные последовательности того же самого фрагмента цитохрома b у шимпанзе, человека и макаки резуса: Pan MTPTRKINPLMKLINHSFIDLPTPSNISAWWNFGSLLGACLILQITTGLFLAMHYSPDASHomo MTPMRKTNPLMKLINHSFIDLPTPSNISAWWNFGSLLGACLILQITTGLFLAMHYSPDASMacaca MTPMRKSNPILKMINRSFIDLPAPPNLSMWWNFGSLLAACLILQIITGLLLAMHYSPDTS Как видим, у макаки аминокислотная последовательность этого белка сильнее отличается от человеческой и шимпанзиной, чем последовательности первых двух видов друг от друга (14 аминокислотных различий между макакой и шимпанзе, 13 — между макакой и человеком, 2 — между шимпанзе и человеком). Это полностью соответствует биологической систематике и эволюционному дереву (шимпанзе — гораздо более близкий родственник человека, чем макака). То, что по одной аминокислоте (4-й) макака больше похожа на человека, чем на шимпанзе, означает, что, скорее всего, у общего предка макаки и человекообразных в этой позиции стояла аминокислота M, которая сохранилась у макаки и человека. Однако в линии шимпанзе, уже после ее отделения от человеческой линии, произошла замена M на T. Интересно взглянуть на ситуацию с точки зрения шимпанзе. Для этого вида человек — более близкий родственник, чем любая другая обезьна. Даже горилла, внешне не так уж сильно отличающаяся от шимпанзе (по крайней мере на наш человеческий взгляд), приходится шимпанзе более дальней родственницей, чем человек. В свою очередь, для гориллы люди и шимпанзе — самые близкие родственники, значительно более близкие, чем любые другие обезьяны. Таким образом, результаты сравнения генов и белков подтверждают представления о родственных связях между видами (эволюционном дереве), которые сложились задолго до «прочтения» геномов. Аналогичные результаты получаются при сравнении практически любых генов в любых группах организмов. Каждый читатель может убедиться в этом самостоятельно, поскольку все прочтенные гены и программное обеспечение для их анализа находятся в свободном доступе.  

| ||

||

||

CTCCCCACCCCATCCAACATCTCCGCATGATGAAACTTCGGCTCACTCCTTGGCGCCTGC 120 L P T P S N I S A W W N F G S L L G A C L I L Q I T T G L F L A M H Y S P D A S CTAATCCTTCAAATTACCACAGGATTATTCCTAGCTATACACTACTCACCAGACGCCTCA 180 ||

|| ||

||

||

ATGACCCCAATACGCAAAACTAACCCCCTAATAAAATTAATTAACCACTCATTCATCGAC 60 человек M T P M R K T N P L M K L I N H S F I D L P T P S N I S A W W N F G S L L G A C CTCCCCACCCCATCCAACATTTCCGCATGATGGAACTTCGGCTCACTTCTCGGCGCCTGC 120

||

||

||

|| |

Пример сравнения нуклеотидных и аминокислотных последовательностей человека и шимпанзе

Сравнительный анализ нуклеотидных последовательностей позволяет судить о степени родства сравниваемых организмов. Это обстоятельство широко применяется на практике (в частности, для установления отцовства). Например, недавно на основе анализа ДНК из человеческих костей, обнаруженных под Екатеринбургом, удалось доказать, что это останки семьи последнего российского императора Николая II. При этом для сравнения был использован генетический материал ныне живущих родственников царской семьи (см.: Генетический анализ показал, что из детей Николая II не спасся никто).

Изучая семьи с известной генеалогией, генетики оценивают скорость накопления различий в ДНК. В частности, большую помощь оказало исследование ДНК населения Исландии — уникальной страны, где каждый житель знает всех своих предков вплоть то первых колонистов, прибывших в Исландию из Норвегии в IX веке (причем из останков нескольких первопоселенцев тоже удалось извлечь ДНК для анализа). Теми же методами можно реконструировать историю целых народов или, к примеру, находить среди современных азиатов потомков Чингисхана. Результаты генетического анализа при этом хорошо согласуются с сохранившимися историческими сведениями. В ходе многочисленных исследований такого рода, где можно было непосредственно сравнить генетические данные с историческими, генетики раз за разом убеждались в достоверности оценок родства на основе сравнения ДНК, а используемые методы развивались и совершенствовались.

Поэтому сегодня мы имеем возможность при помощи этих многократно проверенных и «откалиброванных» методов оценивать степень родства и таких организмов, по которым у нас нет прямых исторических данных. Результаты таких исследований позволяют устанавливать степень родства различных видов живых организмов с такой же степенью надежности, как и в случае установления отцовства или идентификации останков царской семьи. В частности, наше близкое родство с шимпанзе записано в наших геномах, можно сказать, аршинными буквами.

Рассмотрим пример сравнения нуклеотидных последовательностей ДНК и аминокислотных последовательностей белка у человека и шимпанзе.

Аминокислоты M T P T R K I N P L M K L I N H S F I DНуклеотиды ATGACCCCGACACGCAAAATTAACCCACTAATAAAATTAATTAATCACTCATTTATCGAC 60 шимпанзе

Носителем наследственной информации во всех клетках являются молекулы ДНК, у всех известных организмов в основе размножения — репликация этой молекулы. В ДНК всех организмов используются 4 нуклеотида (аденин, гуанин, тимин, цитозин), хотя в природе встречаются не менее 102 различных нуклеотидов. Кроме того, в природе встречается 390 различных аминокислот, но белки всех организмов составляются из одного и того же набора, в котором всего 20 «основных» аминокислот и пара «дополнительных». При этом возможно 1.4 * 10⁷⁰ различных информационно эквивалентных генетических кодов, использующих те же самые кодоны и аминокислоты.

Как уже говорилось, если не учитывать эволюционное происхождение всех организмов от общего предка, то ничто не мешает каждому виду иметь собственный генетический код. Такое положение вещей было бы крайне выгодным, так как при этом исключалось бы преодоление вирусами межвидовых барьеров. Тем не менее, ничего подобного не наблюдается, и теория эволюции исключает такую возможность (см. выше).

Ученые, открывшие устройство генетического кода в 50-х и 60-х годах, в своих исследованиях активно использовали предположение, что код практически универсален. Эти ученые (Фрэнсис Крик, Сидней Бреннер, Георгий Гамов и другие) сделали это предположение исходя из версии об эволюционном происхождении от общего предка, не имея никаких прямых доказательств универсальности кода. Полагаясь на универсальность кода, Бреннер в 1957 году пришел к выводу о неперекрываемости кода (один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов) (Brenner, S. (1957) «On the impossibility of all overlapping triplet codes in information transfer from nucleic acid to proteins.»). Работа имела большое значение, так как до нее большинство исследователей считали код перекрывающимся.

В 1961 году, за пять лет до открытия устройства кода, Фрэнсис Крик сослался на работу Бреннера в статье «Общая природа генетического кода для белков». Основываясь на эволюционном предсказании об универсальности кода (в частности — на предположении о том, что у бактерий, табака и людей код устроен одинаково), Крик установил такие важнейшие свойства генетического кода, как триплетность (значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов — триплет, или кодон), неперекрываемость и наличие «стартовых» кодонов, с которых начинается чтение информации.

Единство генетического кода широко используется в биотехнологии. Например, бактериям встраивают ген человека, отвечающий за выработку инсулина, и бактерии начинают синтезировать человеческий гормон.

Также можно отметить крайне похожие пути метаболизма в клетках всех организмов. Так, гликолиз у всех эукариот и у большинства прокариот проходит за 10 одинаковых шагов, в одной и той же последовательности, с использованием одних и тех же десяти ферментов (при том что возможны тысячи различных, но термодинамически эквивалентных путей гликолиза). У всех изученных видов основным переносчиком энергии в клетке является аденозинтрифосфат (АТФ), хотя на эту роль могли бы претендовать сотни других молекул (см.: The fundamental unity of life из архива TalkOrigins.org).

Дата добавления: 2015-05-06