Вирус ВИЧ

Эволюция вируса ВИЧ, вызывающего СПИД. Передается половым путем, при переливании крови, нестерильных инъекциях и хирургических вмешательствах, при родах от матери к ребенку. Был обнаружен в начале 1980-х гг. в крови больных, погибавших от различных тяжелых заболеваний. Эти заболевания имели одно общее свойство – ИС больного была неспособна противостоять как этому вирусу, так и сопровождавшим возбудителям других заболеваний, от которых больные и погибали.

Филогенетический анализ указывает, что вирус ВИЧ существовал в Центральной Африке (Заир) еще до 1960 г., был занесен на Гаити до середины 1970-х гг. и в США до 1978 г. Иначе говоря, его истоки лежат в Африке, где в некоторых странах вирусоносители составляют до половины населения, хотя заболевание СПИДом проявляется далеко не у всех. Видимо, размножение вируса все же сдерживается их ИС. Вирус ВИЧ сходен с некоторыми вирусами обезьян, поэтому предполагают, что он возник в результате изменчивости этих вирусов и был занесен в популяцию человека извне относительно недавно.

Изменчивость вируса ВИЧ (мутационная и рекомбинационная) столь велика, что он успевает измениться в сторону усиления своей агрессивности непосредственно в ходе развития болезни СПИДом у некоторых больных в течение 1, 5–2 лет и менее. Оценки изменчивости показывают, что она превышает верхний допустимый предел, в результате чего ИС больного не успевает справиться с выработкой новых вариантов антител и фактически распадается, открывая путь процессу заболевания СПИДом и другим болезням.

Носители делеции CCR5-дельта 32 в гене CCR5-рецептора бета-хемокина обладают устойчивостью к развитию ВИЧ-инфекции. Следовательно, ВИЧ-инфекция является развившимся в ходе горизонтального переноса глобальным фактором Э человека, который может в течение нескольких поколений привести к положительной селекции популяций человека по делеционному варианту гена CCR5-рецептора бета-хемокина и связанным с ними генам.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ ЭВОЛЮЦИИ (Э) ЧЕЛОВЕКА

Гудмен – филогенетическое древо с обезьянами:

- человек – 1

- шимпанзе – 2

- горилла – 3

- орангутанг – 4

- макака – 5

Высшие приматы:

- Hominidae (вид Homo sapiens)

- Pongidae (шимпанзе, орангутанг, горилла, макака).

Класс Mammalia

Отряд Primates

Семейство Hominidae

Подсемейство Hominidae

Род Gorilla (1 вид - горилла)

Род Homo (1вид - человек)

Род Pan (2 вида обычные и карликовые шимпанзе)

Подсемейство Ponginae

Род Pongo (1 вид - орангутанг)

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЛОГЕНИЯ

Метод «МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЧАСОВ»: используют нуклеотидные последовательности митохондриальной ДНК (мтДНК) и Y-хромосомы.

Остальные хромосомы при передаче потомству проходят процесс рекомбинации – обмена сходными участками генетического материала. В результате в каждой хромосоме возникают новые комбинации мутаций, не существовавшие в хромосомах родителей.

Y-хромосома передается только по мужской линии – от отца к сыну и, т.к. имеется в геноме мужчин в единственной копии, ни с чем не рекомбинирует. Все изменения генетического текста Y-хромосомы связаны с накоплением мутаций из поколения в поколение. Отсутствие рекомбинации приводит к тому, что, раз появившись, мутации сохраняются на протяжении тысяч поколений, маркируя тем самым Y-хромосому всех потомков того индивида, в ДНК которого эта мутация появилась. Современные мужчины, имеющие одинаковые

мутации в Y-хромосоме, восходят к общему предку по мужской линии.

Родные братья получают от отца Y-хромосомы с одинаковыми мутациями, т. е. они относятся к одной линии Y-хромосом. Однако, если у одного из братьев произойдет мутация, которую он передаст своим сыновьям, то здесь линии наследования разойдутся на две ветви.

Сейчас созданы базы данных, содержащие информацию о мутациях в Y-хромосомах десятков тысяч людей, принадлежащих сотням народов, населяющих все уголки земли. Чем раньше возникла мутация, тем ближе к корню она располагается на этом древе и тем больше ветвей будут ее содержать. Т.к. материал, доступный для исследователя, – это ДНК, полученная от ныне живущих людей, то структура древа воссоздается от концов ветвей к корню.

Число мутаций, различающих двух людей, можно перевести в абсолютное время, прошедшее с момента разделения ведущих к ним генетических линий. Т.е. установить, когда жил последний общий предок этих двух людей.

Для выявления женских линий - работа с мтДНК. При оплодотворении спермий не передает свои митохондрии яйцеклетке, и плод любого пола получает мтДНК только от

матери. Это очень маленькая по сравнению с ДНК хромосом молекула - размер 16 500 п.н., в каждой клетке - до нескольких десятков тысяч копий молекул мтДНК. Молекула мтДНК – кольцевая, а значит она более стабильна, чем линейная.

Для построения филогенетического древа по материнской линии достаточно определить последовательность нуклеотидов небольших (около 400 пар нукл), наиболее быстро

мутирующих фрагментов мтДНК. Другой метод анализа – определение изменений в участках ДНК, распознаваемых рестриктазами.

При исследовании отцовской линии используют около полутора-двух десятков изменчивых участков ДНК (они называются SNP- и STR-маркеры) в Y-хромосоме, размер которых составляет 60 000 п.н.

Первые получившие известность исследования мтДНК представителей разных рас выявили общность происхождения всех ныне живущих людей по женской линии. Исследования - 1987 – группа А. Уилсона - изучили мтДНК от 147 представителей различных рас –установили количество мутаций, различающих каждого из исследованных индивидов, а также координаты и тип этих мутаций в исследуемом фрагменте молекулы ДНК. Анализ показал, что все мтДНК можно представить как происходящие от одной предковой последовательности. По степени разнообразия мтДНК обследованных людей А. Уилсон оценил время, прошедшее с тех пор, когда существовала предковая последовательность. Это время вычисляется как время схождения всех линий мтДНК в одну точку, называемую точкой коалесценции. В соответствии с его выводами общая «праматерь», к которой восходят все типы мтДНК современных людей, жила в Восточной Африке менее 200 тыс. лет назад.

Просто знать – гельдербежский – это наш предок.

· Мультирегиональная гипотеза – наш предковый вид Homo erectus превратился в Homo sapiens в различных точках земного шара независимо. Обладательницу предковой мтДНК тут же окрестили «митохондриальной Евой».

· Унорегиональная гипотеза: появляется в одном регионе.

Собственно, КОНЦЕПЦИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЧАСОВ построена на предположении о нейтральности большинства мутаций, т. е. подразумевает, что ничем особенным от соплеменниц «Ева» не отличалась. Просто генетическое разнообразие в популяции всегда уменьшается, если в ряду поколений случаются резкие падения численности группы, а это не раз происходило в истории человечества. Так что со временем все другие линии, кроме одной, были утрачены по статистическим причинам.

Дополнительные сведения о нашей родословной были получены при сравнении митохондриальных ДНК современного человека и неандертальца.

При сравнении наиболее изменчивых фрагментов мтДНК современного человека и неандертальца были найдены существенные различия: они отличались друг от друга в среднем по 27 нуклеотидным позициям из 370 исследованных. Если сравнить митохондриальные ДНК двух современных людей, то средняя разница составляет лишь 8 нуклеотидов. Эти расчеты показали, что наш общий с неандертальцем предок жил примерно 500–700 тыс. лет назад. Анализ ДНК позволил заключить, что обмен генами между человеком и неандертальцем не происходил или был ничтожно мал. Это независимые линии, они не смешивались.

Две линии одного предка (две ветви, двоюродные дяди и тети)

Это совершенно отдельные, параллельные эволюционные ветви, произошедшие от общего предка. Так что неандерталец нам – это эволюционный «дядя».

Приблизительно 300–400 тыс. лет назад произошло окончательное разделение двух ветвей. Неандертальцы первыми расселились по Европе и Азии, затем туда пришли люди современного типа (кроманьонский человек), и они довольно долго сосуществовали на одной территории. Но около 30 тыс. лет назад неандертальский человек исчез.

Сопоставление ДНК-маркеров аборигенов Южной Африки, показало, что примерно 70–150 тыс. лет назад начались интенсивная дифференциация и сложные демографические процессы, сопровождающиеся возникновением разнообразных популяций в пределах Африки. Затем (50–100 тыс. лет назад) волны переселенцев стали выплескиваться за пределы Африки и растекаться по другим континентам, что отразилось на своеобразной структуре ДНК-древа.

Исследуя современное население Европы, Азии, Океании, Северной и Южной Америки и зная особенности и скорость мутирования в изучаемых ДНК-маркерах, можно с определенной степенью точности проследить пути и время миграций людей из Африки.

Структура ДНК свидетельствует о том, что человек появился в Австралии и Новой Гвинее 50–60 тыс. лет назад. Анализ состава химических элементов артефактов указывает на тот же период. В Центральную и Юго-Восточную Азию люди пришли примерно 70 тыс. лет назад, заселение Европы произошло позже, 35–40 тыс. лет назад. Время освоения Америки до сих пор не определено, известно лишь, что люди появились там гораздо позже, чем на других континентах (от 15 до 35 тыс. лет назад).

Как возникли современные расы человека и отличаются ли они друг от друга по ДНК?

В течение десятков тысяч лет шли процессы миграций и адаптации человека к местным условиям. Допустим, группа людей пришла в Юго-Восточную Азию и осела там на много поколений. Потом часть мигрировала дальше, образуя новую локальную популяцию, которая, однако, имеет общую историю и единых предков с родительской группой, а потому их ДНК более сходны между собой, чем с жителями других континентов. Действительно, население разных материков эволюционно гораздо дальше от общей предковой группы, чем соседние популяции, близкие по родственным связям и демографической истории.

За время, что прошло с момента отделения от общих прародителей, их ДНК стали отличаться друг от друга за счет накапливающихся в среде поколений мутаций. Генетические различия между людьми с разных материков называются расовыми признаками.

Генетически мы все вышли из одного гнезда, причем сравнительно недавно в масштабах эволюции.

Дальнейшее развитие рас шло независимо друг от друга: люди адаптировались к климатическим и географическим условиям, типу питания и ландшафта, складывались язык и культура – это отличительный признак.

Анализ ДНК позволяет определить смешение азиатских типов с европейским. Расы отличаются друг от друга на 0, 1 % (каждый тысячный нуклеотид может быть разный). Каждые 3 млн. строго индивидуальные. Люди разных рас отличаются ближе, чем обезьяны в одном стаде (по ДНК очень близки)

Волго-Уральский регион – в силу особенностей этнической истории населяющих его народов. Здесь встретились две волны расселения, две расы: европеоидная и монголоидная. Следы этого события хранит ДНК проживающих здесь народов. Исследования митохондриальной ДНК и Y-хромосомы позволили рассчитать время формирования народов, заселивших впоследствии данный регион. Это произошло примерно 40–50 тыс. лет назад, что соответствует времени появления современного человека на Европейском континенте в эпоху верхнего палеолита.

ПУТИ УСЛОЖНЕНИЯ ГЕНОМОВ

Рост сложности организмов – глобальный вопрос эволюции. В основе биологической сложности эукариотических организмов лежит блочно-модульный принцип (БМП) организации их геномов и сложные механизмы, обеспечивающие реализацию генетического материала.

Расшифровка геномов выявила ряд закономерностей:

1) сложность прокариот в целом коррелирует с размерами геномов и числом генов; предел 4000 генов у прокариот.

2) рост размера геномов и числа генов при переходе от прокариот к эукариотам

и от одноклеточных к многоклеточным;

3) у эукариот отсутствует связь между биологической сложностью и числом генов. Например, Drosophila содержит всего 13 600 генов, а более простой круглый червь – 19 000 генов. Человек и рыба фугу имеют примерно равное количество генов – 30 000–40 000.

Более сложный организм?

1) Сложность – блочно-модульный принцип

2) Усложнение экспрессии генов (эукар: транскрипция, трансляция, сплайсинг, мод бел хроматина, простр расположение хромосом в ядре, процессинг)

У эукариот увеличился размер регуляторных последовательностей.

① 5”-регул район гена тирозин-аминотрансфераза контролирует транскрипцию, имеет размер 10 т.п.н. и содержит 40 регул элементов

② сплайсинг, который без увеличения числа может обеспечивать разные продуты с разными последовательностями. Альтернативный сплайсинг – путь усложнения генома

③ трансляция – мРНК может транслировать по разному. Трансляционный полиморфизм. Разные точки трансляции

④ транс сплайсинг ИС (Ig кодируется отдельными локусами на хромосоме, 10⁷-10¹⁰ белков, объединяющие разные локусы)

⑤ возникновение регуляторных комплексов (белок белковых взаимодействий). Образование комплекса транскрипционных факторов SP-1 и NF-1 блокирующих экспрессию того же гена в дефинитивных эритроцитах

⑥ может изменяться конформация белка: точки трансляции, белки шапероны, прионизация

⑦ структура хроматина. Структура и компартизация ДНК (1, 8м). Упаковка ДНК – важный фактор регуляции транскрипции (расположение хромосом). Промоторы «домашнего хозяйства» имеют слабую нуклеосомную упаковку, что обеспечивает мелкую упаковку РНКаз и ДНК.

Перестройка хроматина связана со специфичной модификацией гистонов - сильноупаковывание. NF-Y – сильный транскрипционный фактор.

Эпигенетические мех-мы (ДНК, РНК, белки + хим гр, модифицирующие их) → прочтение запрограммированных программ в строго опред-х условиях и передаётся митозом.

Эпигенетические мех-мы могут обеспечить контроль условий реализации ген материала + контроль разброски (метилирование 95% на сайт CpG на деление) – статус участка, а не отдельных нуклеотидов.