Рекомбинации как источник генетической изменчивости. Механизмы увеличения числа и разнообразия генов в генотипе в ходе биологической эволюции.

Гомологичные хромосомы половых клеток в процессе мейоза (профаза I) могут обмениваться аллелями или их частями (рекомбинация). Если при рекомбинации обмениваются не целиком аллельные гены, а участки ДНК меньшей длины, то такой обмен может приводить к появлению новых, прежде не существовавших в популяции аллелей, а не просто новых сочетаний прежних аллелей. После слияния гамет в диплоидном наборе зиготы получаются различные сочетания аллелей, как уже существовавших в популяции, так и вновь возникших в процессе мейоза в паре гамет, образовавших данную зиготу. Рекомбинации — гораздо более частые события, чем мутации, поэтому разнообразие форм внутри вида обусловлено главным образом именно рекомбинациями.

Организм должен реплицировать ДНК с высокой точностью, чтобы поддерживать свою генетическую идентичность. На это направлено действие механизмов, обеспечивающих точность репликации, и действие репарирующих систем, устраняющих повреждения. И все же он должен допускать некоторое количество ошибок при репликации ДНК или репарации повреждений, чтобы была возможна эволюция. Мутации — это первичная причина появления разнообразия фенотипов, необходимого для действия естественного отбора. Другая причина — вторичная — это рекомбинации генов при половом размножении.

Генотипическая гетерогенность - причина полиморфизма белков в популяции человека (варианты гемоглобина, альфа-1-антитрипсина, гликозилтрансферазы, группоспецифические вещества и др.).

У разных особей возникают варианты (мутации) разных генов или варианты одного и того же гена. Варианты генов, образующиеся у отдельных особей, могут постепенно распространяться в популяции в результате наследования, если они не летальны. Так формируется генотипическая неоднородность популяции, которая ведет и к фенотипической неоднородности. На молекулярном уровне фенотипическая неоднородность проявляется как полиморфизм белков — существование разных форм белка, выполняющих одинаковые или очень сходные функции (изобелки). Чаще всего изучают полиморфизм ферментов (т. е. наличие изоферментов), поскольку их гораздо легче обнаружить, чем другие белки, по катализируемой ими реакции.

Гемоглобины А (2альфа2бета), F (2альфа2гамма), А2 (2альфа2дельта) есть в эритроцитах почти всех людей. Гены этих белков не аллельны, они занимают разные локусы. Эти гены возникли в результате дупликации гена-предшественника и мутационной дивергенции копий. Но в крови некоторых людей обнаруживаются (обычно редко) другие гемоглобины, являющиеся продуктами аллельных генов. В частности, известно много аллельных вариантов гемоглобина А. Один из вариантов — это HbS, который отличается от НЬА лишь одной аминокислотой в шестом положении бета-цепи (замена бета6Glu -> Val).

По аллелям НЬА и HbS все люди делятся на три группы: с генотипами АА, AS и SS. У людей первой группы эритроциты содержат НЬА, у второй — НЬА и HbS, у третьей — HbS. Распространенность аллеля S (т. е. суммарное количество людей с генотипами AS и SS) географически неравномерна: у некоторых народностей Азии и Африки — до 35 %; у европейцев встречается редко.

Существует еще вариант гемоглобина: HbC (бета6Glu -+ Lys). По этой паре аллелей существуют генотипы АА, АС и СС. Теперь всех людей можно разделить на пять генотипически и фенотипически разных групп: АА, AS, SS, АС и СС. Известно около 300 разных вариантов НЬА. Следовательно, по всем аллелям гемоглобина А люди образуют около 600 генотипически

различающихся групп (если не считать очень редко встречающиеся гетерозиготы по вариантам, например SC).

Ингибитор протеиназ альфа1-антитрипсин

Другой пример полиморфизма белков дает альфаl-антитрипсин — ингибитор некоторых протеолитических ферментов. Физиологическая роль этого белка состоит в регуляции активности протеолитических ферментов, выделяемых лейкоцитами в очаге воспаления. Найдены четыре аллельных варианта aльфаl-антитрипсина с распространенностью 94, 2,3, 2 и 1,3 % и еще около десятка редких вариантов. Варианты легко обнаруживаются по различиям в электрофоретической подвижности.

Происхождение разнообразия антител. Особенности структуры ДНК при дифференцировке и созревании Б-лимфоцитов. Транспозиция V, D, J -участков генов в ходе формирования полных генов L - u Н-цепей.

Происхождение разнообразия антител

В ходе дифференцировки лимфоцитов действуют специальные механизмы рекомбинаций и мутирования, которые и служат причиной появления клонов, имеющих разные V-гены (гены вариабельных областей). Следовательно, клоны В-лимфоцитов различаются не только фенотипически, но и генотипически; они отличаются по V-генам также от других клеток организма, в том числе от гамет.

В эмбриональном периоде в предшественниках лимфоцитов гены, кодирующие разные области пептидных цепей антител, расположены не рядом друг с другом, а в разных частях молекулы ДНК. В процессе онтогенеза происходит диффе-ренцировка лимфоцитов и образование клонов. Важнейшим моментом дифферен-цировки является особого рода рекомбинация генов: она заключается в том, что происходит перенос генов (или их частей) из одного места в другое в пределах одной молекулы ДНК. Такую рекомбинацию называют транспозицией генов.

Рассмотрим этот процесс на примере рекомбинации генов, кодирующих тяжелые цепи. В ДНК лимфоцитов содержатся гены константных областей пяти классов и гены вариабельных областей трех типов: 300-400 разных генов V, около 20 разных генов D и четыре разных гена J. Эти группы генов расположены в разных участках ДНК. В результате транспозиции происходит объединение трех генов V, D и J в полный ген вариабельной области цепи Н. При этом выбор каждого гена из группы соответствующих генов происходит случайно: любой ген V. из сотен генов V может оказаться объединенным с любыми генами D. и J. из групп соответственно D и J. Далее, также путем транспозиции, полный ген вариабельной области может объединиться с любым из генов константной области, в результате получается полный ген соответствующей Н-цепи (Нг, Нб и т. д.). Общее число вариантов полного гена Н-цепи равно примерно 4000. Сходным путем образуются и гены легких цепей; их тоже может быть около 4000 вариантов. При образовании иммуноглобулинов цепи Н и L могут соединяться в разных сочетаниях, поэтому общее число разных иммуноглобулинов достигает порядка 10⁷ (4000 х 4000 = 1,6*10⁷).

Поскольку объединение генов при транспозиции имеет случайный характер, в разных лимфоцитах образуются разные сочетания генов V, D, J и С в полном гене иммуноглобулиновой цепи, т. е. происходит дифференциация лимфоцитов и образование клонов, различающихся генотипически. Соответственно, они различаются и фенотипически — по способности синтезировать антитела определенной специфичности.

Происхождение разнообразия антител. Образование гипервариабельных участков V -сегментов и L -генов за счет соматических мутаций. С - области H -цепей определяют классы lg. Перестройка ДНК в ходе переключения класса lg. Иммунодефициты.

Смотри предидущий вопрос и ниже иммуноглобулины.

СИНДРОМ ПРИОБРЕТЕННОГО ИММУНОДЕФИЦИТА (СПИД)

СПИД — инфекционное заболевание, вызывается вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ). Вирус инфицирует Т-лимфоциты класса хелперов. Вирусная частица присоединяется к Т-рецептору на наружной поверхности мембраны Т-хелпера, липидная оболочка вируса сливается с клеточной мембраной, и содержимое вирусной частицы оказывается в цитозоле. ВИЧ содержит РНК, которая служит матрицей для синтеза ДНК (ретровирус); фермент, необходимый для такого синтеза — обратная транскриптаза, — также содержится в вирусной частице.

Образующаяся ДНК поступает в ядро, интегрируется с ДНК лимфоцита (при участии белков вируса) и служит матрицей для транскрипции — синтезируется вирусная РНК. В результате трансляции этой РНК образуются вирусные белки — обратная транскриптаза, белки оболочки вируса, а также регуляторные белки, стимулирующие по механизму положительной обратной связи транскрипцию и трансляцию вирусной РНК. Комплекс вирусной РНК и вирусных белков присоединяется к внутренней поверхности мембраны лимфоцита и покидает клетку вместе с частью мембраны лимфоцита, образующей липидную оболочку вируса.

Размножение вируса в клетке истощает ее ресурсы, и она в конечном счете погибает. В норме в 1 мл крови содержится около 1000 Т-лимфоцитов; у лиц, инфицированных ВИЧ, их содержание снижается. Когда количество Т-лимфоцитов уменьшится в 4-5 раз (через 7-10 лет после инфицирования), появляются явные и тяжелые симптомы недостаточности иммунной системы. Главные из них — вирусные, грибковые и бактериальные инфекции (часто — туберкулез), а также злокачественные опухоли (часто — саркома Капоши, форма рака кожи).