ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2003, № 6, с. 58-71
© 2003 г.
ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2003, № 6, с. 58-71
Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск
Поступила в редакцию 01.04.2003 г. Принята к печати 07.07.2003 г.
На основании молекулярно-генетических данных обсуждаются проблемы возникновения генетических самовоспроизводящихся систем и их дальнейшего усложнения в процессе эволюции. Рассмотрены механизмы, обеспечивающие и ограничивающие усложнение организмов в процессе эволюции, в том числе генетические механизмы возникновения морфологической сложности.
Жизнь на Земле существует в форме самовоспроизводящихся систем (СВС). В генетических самовоспроизводящихся системах (ГСВС) наследственная память, подсистема считывания информации и репарирующая подсистема объединены в единую структуру - геном. Матричный синтез генетических макромолекул - характерное и неотъемлемое фундаментальное свойство ГСВС. Генетическая наследственная информация передается от родителей потомкам в форме материального носителя (геномной ДНК у большинства организмов или РНК у ряда вирусов). Эпигенетическая наследственная информация передается в виде функционального состояния клеток зародышевой линии. Она не устойчива в ряду поколений, но может обеспечивать модуляцию проявления фенотипических признаков, определяемых генетической информацией. К числу мутационных механизмов изменчивости относятся: нуклеотид-ные замены, делеции, дупликации, рекомбинации (гомологичные и по механизму неравного крос-синговера), перемещения мобильных генетических элементов, геномные мутации - полишюиди-зация и анеуплоидизация, горизонтальный перенос генных кластеров. Мутации возникают у отдельных особей популяции и могут элиминироваться либо фиксироваться (стать нормой популяции). Отбор обеспечивает дифференциальное различие особей - носителей мутаций по вероятности их выживания и воспроизведения (Колчанов, Матушкин, 1997). Прогресс в области изучения молекулярно-генетических основ жизни, достигнутый в последнее десятилетие, позволяет рассмотреть и привязать к глобальной временной шкале сценарии и закономерности эволюции генетических систем: от ранних этапов возникновения жизни на Земле, включая процессы возникновения и эволюции глобальных таксонов, и заканчивая молекулярно-генетическими механизмами усложнения структурно-функциональной организации генетических систем и механизмов их эволюционной адаптации к изменяющимся условиям внешней среды.
ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ
Существует две гипотезы возникновения жизни на Земле - панспермия и самозарождение.
Панспермия снимает ограничения, накладываемые возрастом (Line, 2002) и условиями первобытной Земли (Nisbet, Sleep, 2001). В ее пользу говорит обнаружение сложных органических соединений на метеоритах, кометах (Chyba, 1995; Anders, 1989) и (по данным спектрометрии) в космической пыли (Clemett et al., 1993). Известно, что молодая Земля подвергалась метеоритным бомбардировкам, последняя из которой (3.8 млрд. лет назад) приходится на время появления первых ископаемых свидетельств жизни (3.8-3.5 млрд. лет назад) (Nisbet, Sleep, 2001). Такие бомбардировки затрагивали и другие планеты Солнечной системы, что вызывало обмен веществом между ними -на Земле обнаружены метеориты с Марса (Wright et al., 1989), а ранний Марс мог иметь для самозарождения жизни более комфортные условия (Chyba, 1995; Nisbet, Sleep, 2001). С другой стороны, существует проблема сохранения сложных форм органики во время путешествия в космосе. Космическая пыль может войти в атмосферу, не испытывая серьезных физических нагрузок (серебристые облака), но она не защищает органику от космической радиации. Органика в метеоритах, наоборот, защищена в космосе, но уязвима при встрече с Землей (Line, 2002), особенно при массовых бомбардировках, теоретически способных испарить протоокеан Земли (Nisbet, Sleep, 2001). Выигрыш во времени для эволюции при возникновении жизни на других планетах Солнечной системы по сравнению с Землей сравнительно невелик. Его можно увеличить, перенеся источник жизни к ближайшим звездам, но тогда на миллионы лет возрастет время космического рейса. Смогут ли зародыши жизни сохранить жизнеспособность? Обсуждение проблемы "оживления" ископаемых бактерий не дает ответа на этот вопрос (Line, 2002).
Самозарождение и предбиологическая эволюция жизни на Земле требует таких физико-химических условий, которые: (1) позволяют в абиотических процессах синтезировать все низкомолекулярные компоненты белков и нуклеиновых кислот, (2) обеспечивают нужную концентрацию элементов, входящих в активные центры ферментов (Mn, Mo, Zn и т.д.), (3) допускают полимеризацию низкомолекулярных компонентов в самореплицирующиеся долгоживущие матрицы с их последующей дарвиновской эволюцией. Эксперименты, моделирующие условия молодой Земли, показали принципиальную возможность абиотического синтеза аминокислот (Miller, 1953; Wachtershauser, 1990), Сахаров (Shapiro, 1988) и азотистых оснований ДНК и РНК (Oro, Kimball, 1961; Sanchez, Orgel, 1970). Энергию для такого синтеза могли дать атмосферное электричество (Miller, 1953; Chyba, Sagan, 1991), УФ- и радиоактивное излучение (Kasting et al., 1989; Oro et al., 1990) и особенно гидротермальные источники (Ferris, 1992; Nisbet, Sleep, 2001). Гидротермы интересны еще тем, что создают локальную высокую концентрацию реагентов и решают проблему удаления конечных продуктов из зоны реакции - путем адсорбции на скалах, выброса с брызгами, выноса конвективными потоками на низкотемпературную периферию гидротермы (особенно если она соседствует с ледником) (Sagan, Chyba, 1997) и т.д. На гидротермы указывает набор металлов в активных центрах ферментов (Shock, 1990). При наличии СО атмосферы, H2S, пирита и еще некоторых простых молекул и элементов возможно абиотическое формирование цикла лимонной кислоты (Cody et al., 2000), синтез аммония (Brandes et al., 1998), пептидов и про-теиноидов (разветвленных белков) (Wachtershauser, 1990; Edwards, 1998). Протеиноиды с зачатками ферментативной активности могли формировать в теплой воде периферии гидротерм микросферы (протоклетки), во внутренних полостях которых мог идти нематричный каталитический синтез пептидов и олигонуклеотидов (Szostak et al., 2001). Важно, что эта вода не должна была содержать много ионов (т.е. не была морской), так как полимеризация нуклеиновых кислот в таких условиях ингибируется (Monnard et al., 2002).
Важнейшие теоретические исследования процессов преджизни сделаны М. Эйгеном (Eigen, 1971), рассмотревшим каталитические гиперциклы (замкнутые самовоспроизводящиеся ансамбли полинуклеотидов и пептидов) и В.А. Ратнером (см. Ратнер, 2002), изучившим сайзеры - простейшие СВС с матричным синтезом, осуществляемым, в отличие от гиперцикла, универсальными ферментами. Эти работы показали возможность дарвиновской эволюции популяций простейших СВС в результате мутаций и отбора в направлении роста приспособленности.
Мир РНК. В современных ГСВС хранение генетической информации возложено на ДНК (реже РНК), а ее копирование - на белки. На вопрос о том, что было раньше - нуклеиновые кислоты или белки, проливает свет открытие рибозимов, природных РНК, катализирующих реакции подобно белковым ферментам (Strobel, Ryder, 2001; Doudna, Cech, 2002). Это открытие позволило сформулировать концепцию Мира РНК, предполагающую, что жизнь возникла на основе пред-биологических информационных матриц РНК (Joyce, 2002; Bartel, 2003). Решающее доказательство реальности предкового Мира РНК получено с помощью селекс-техники ("эволюция в пробирке") - метода, осуществляющего необходимое количество раундов эволюции исходной популяции молекул ДНК или РНК путем мутирования с отбором и амплификацией тех вариантов молекул, которые проявили максимальное значение отбираемого свойства (Ellington, Szostak, 1990). Этим методом из пула случайных нуклеотидных последовательностей с высокой частотой синтезировались рибозимы, в 10 раз эффективнее природных (Strobel, 2001; Salechi-Ashtiani, Szostak, 2001), а также рибозимы, способные катализировать реакции: аминоацилирования, репарации разрывов двухнитевой РНК, синтеза нуклеотида, образования пептидной связи (Unrau, Bartel, 1998; Zhang, Cech, 1997; Lee et al., 2000). Наконец, получены рибозимы, катализирующие матричный синтез РНК по РНК (Johnston et al., 2001), и рибозимы, формирующие альтернативные варианты укладки РНК с разными каталитическими активностями (Schultes, Bartel, 2000). Следовательно, в условиях предбиологической эволюции путем дарвиновского отбора из случайных полимеров могли возникать РНК со спектром ферментативных активностей, который полностью замыкал цикл самовоспроизведения РНК-матрицы от синтеза нуклеотидов до матричного синтеза РНК по РНК, т. е. возникала жизнь. Главными затруднениями для мира РНК были относительно низкая эффективность рибозимов и обеспечение системы рибозой - минорным продуктом реакции абиотического синтеза Сахаров (Shapiro, 1988). Возникли гипотезы, по которым в предковом мире соединение основания и фосфата в нуклеотиде осуществлялось другими молекулами, в том числе без хирального центра, что снимало проблему хиральности для протоферментов. Были испытаны аналоги нуклеиновых кислот с глицеролом, акролеином (Joyce et al., 1987), гексозами (Eschen-moser, 1993), пептидами (Egholm et al., 1992), но создать из них аналоги рибозимов пока не удалось. Зато созданы однонитевые ДНК, ферментативно расщепляющие РНК (Finkel, 1999), что лишает РНК "монополии" на роль первых информационных матриц. Возникновение жизни на Земле можно представить как процесс усложнения химической структуры и морфологии предшественников (предбионтов) с последующим переходом к примитивным ГСВС (собственно возникновение жизни) и дальнейшим их усложнением в процессе формирования и освоения разных экологических ниш. При этом в шкале эволюции фиксируются следующие этапы (Joyce, 2002): (1) формирование Земли - 4.5 млрд. лет назад; возникновение стабильной гидросферы - 4.2 млрд. лет назад; химический абиотический синтез - 4.2-4.0; возникновение мира РНК - 3.8; первая ДНК-белковая жизнь - 3.6; первый всплеск биоразнообразия -позднее 3.6 (вероятно - 3.1).
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ ТАКСОНОВ
Рассмотрим вероятный сценарий эволюционного возникновения глобальных таксонов в рамках фаготрофной теории Т. Кавалье-Смита (Cavalier-Smith, 2002). Первые одноклеточные организмы - прогеноты возникли 3.8-3.3 млрд. лет назад (Shopf, Parker, 1987; Schidlowski, 1988). Их иррадиация дала начало империи прокариот, которым свойственна кольцевая хромосома, отсутствие мембранных компартментов, пинотрофия и муреиновый экзоскелет - клеточная стенка. Отбор по этим свойствам привел к развитию надцар-ства бактерий, включая Cyanobacteria, освоивших фотосинтез с выделением кислорода. В итоге, около 1.7 млрд. лет назад кислород начал накапливаться в атмосфере (Кузнецов и др., 2002), что привело к вымиранию ряда анаэробных прокариот (Rye, Holland, 1998; Navarro-Gonzales et al., 2001) и, возможно, "расчистило" путь для эволюции эукариот.
Около 850 млн. лет назад одна из ветвей прогенотов потеряла способность синтезировать муре-ин ("неомуральная революция") - возникло надцарство Neomura, представители которого не имели клеточной стенки. Одна ветвь Neomura, восстановив экзоскелет на основе гликопротеи-нов и приспособившись к экстремальным условиям, дала начало архебактериям. Другая линия Neomura - Precaryota - сформировала гибкий белковый эндоскелет и цитоплазматическую мембрану эукариотического типа. Ее потомки развили на базе эндоскелета неспециализированные ак-тин-миозиновый и тубулин-дининовый клеточные моторы, что обеспечило внутриклеточный транспорт, компартментализацию и, как следствие, рост размеров и новый тип питания - фагот-рофию. Компартмент, окруживший примитивную хромосому, дал начало ядру - возникла империя Eucaryota. При этом ДНК могла выполнять добавочную функцию эндоскелета ядра, что вызвало рост количества ДНК (Cavalier-Smith, 2002).
Фаготрофия послужила основой для первого эндосимбиоза с альфа-протеобактериями, давшими начало митохондриям (Cavalier-Smith, 2002) и/или гидрогеносомам (Embley et al., 1997). Возникло обширное надцарство одноклеточных эукариот - Protozoa. Независимо возникшая много-клеточность привела в одной ветви к возникновению царств грибов и животных, а в другой ветви -царства растений. Одноклеточные предки растений вступили в эндосимбиоз с цианобактериями -появились хлоропласты, и интенсивность фотосинтеза на Земле возросла (Cavalier-Smith, 2002) (рис. 1).
Важнейшее событие в эволюции - возникновение многоклеточности. Первый способ возникновения многоклеточноести - через колониальность: при делении материнской клетки дочерние клетки остаются связанными, формируя колонию-клон. Затем между клетками колонии возникает распределение обязанностей. Этот способ представляется универсальным для про- и эукариот. Он реализовался у цианобактерий и, возможно, у спорулирующих эубактерий (Прозоров, 2002). Второй способ - через синцитий: одноклеточный организм формирует многоядерный синцитий путем многократного деления ядра без деления клетки. Затем ядра окружаются собственной мембраной путем инвагинации внешней мембраны синцития - формируются клетки. Таксоны, пошедшие по этому пути, породили многочисленных многоядерных протистов (Полянский, 1991), но до стадии многоклеточности дошли лишь грибы и некоторые водоросли. Этот способ, по-видимому, тупиковый - большие десмосомы затрудняют специализацию клеток, без чего невозможно формирование полноценного многоклеточного организма. Основной эволюционной тенденцией становится специализация ядер, вершина развития - ядерный дуализм инфузорий и фораминифер (Полянский, 1991). Третий способ, обсуждаемый в связи с исследованием Dictyostel-ium, подразумевает такую организацию популяций одноклеточных, когда они в определенных ситуациях формируют многоклеточный организм. Так, Dictyostelium discoideum в норме живет в виде популяций одноклеточных амеб, формирующих при неблагоприятных условиях агрегаты, способные к передвижению и образующие органы - ножку и плодовое тело со спорами, трансформирующимися в амеб в нормальных условиях. Особенности организации генома ставят D. discoideum у основания ствола Metazoa (Glockner et al., 2002), поэтому его способ дифференцировки может быть близок к предковому. Но многоклеточный D. discoideum может состоять не из одного, а из нескольких клонов амеб, соревнующихся за право сформировать больше спор, поэтому и этот путь может быть тупиковым, ведущим к формированию не индивидуального организма, а сообщества клеток (Strassman et al., 2000).
ЭВОЛЮЦИОННЫЕ СТРАТЕГИИ ВЫЖИВАНИЯ ПОПУЛЯЦИЙ В ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ УСЛОВИЯХ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
Существует три стратегии эволюционной адаптации ГСВС к резко меняющимся условиям окружающей среды.
Стратегия пассивного ожидания свойственна одноклеточным. Огромная численность их популяций даже при низких темпах мутирования обеспечивает резерв генетической изменчивости, достаточный для поиска генотипов, способных выжить в новых условиях среды. Однако любая популяция имеет естественную верхнюю границу темпов мутационной изменчивости или границу мутационной катастрофы ошибок (Eigen, 1971). Гаплоидные популяции достигают этой границы при таких темпах мутирования V, когда за один цикл репликации возникает как минимум одна летальная мутация на геном. Правило V < 1/L отражает связь предельных размеров гаплоидного генома L с максимально допустимой скоростью его мутирования V. Следовательно, чем выше скорость мутирования, тем меньше предельный размер генома. Значит, усложнение ГСВС, требующее роста геномов, невозможно без роста точности копирования и надежности хранения генетической информации. Имеющиеся оценки говорят, что в ходе эволюции бактерии вплотную подошли к границе мутационной катастрофы ошибок (Kolchanov et al., 1994), что запретило дальнейший рост размеров гаплоидных геномов бактерий, обеспечив их эволюционную стагнацию. Преодоление этого запрета явилось главной эволюционной мотивацией появления диплоидных геномов эукариот, снявших ограничение на размеры геномов до величин порядка 1012 пар оснований.
Стратегия активного реагирования - повышение темпов генетической изменчивости при неблагоприятных условиях - свойственна и про- и эукариотам. У Escherichia coli важную роль в реализации этой стратегии играет ген белка теплового шока HSP70, называемый также геном эволюции (Chow, 2000). В норме белок HSP70 нарабатывается в умеренных дозах и участвует в рекомбинации и репарации ДНК. При критических изменениях внешней среды (тепловой шок, изменения рН, действие ионов тяжелых металлов или оксидантов, влияние электромагнитного поля, глюкозное "голодание" и др.) экспрессия гена HSP70 резко увеличивается. Это приводит к повышению частоты транспозиции мобильных элементов. Таким образом, повышение уровня HSP70 при неблагоприятных условиях среды стимулирует рекомбинацию и транспозицию, повышая генетическое разнообразие популяции. Это способствует отбору новых генетических вариантов, выживающих в резко изменившихся условиях внешней среды.
О важности гена белка HSP70 говорит его наличие у всех организмов, кроме немногих видов архебактерий (Chow, 2000). Именно стратегия активного реагирования является главной для многоклеточных эукариот со слабым гомеостазом и малой (104-105) эффективной численностью популяции, в силу чего стратегия пассивного ожидания для них неэффективна. В таких популяциях низкий уровень генетической изменчивости не может компенсироваться постоянным высоким уровнем мутирования, так как это приведет популяцию к границе мутационной катастрофы ошибок. Замечательно, что в клетках эукариот со слабым гомеостазом механизм активного реагирования также использует систему генов теплового шока, включающую HSP70 и некоторые другие белки. При этом существенный вклад в повышение генетической изменчивости вносят мобильные генетические элементы (см. Ратнер, 2002). Следовательно, гены теплового шока можно рассматривать как универсальную систему рецепции сигналов о неблагоприятном состоянии внешней среды, оцениваемой по большому количеству параметров одновременно.
Автономизация репродукции и жизнедеятельности организмов от повреждающего влияния внешней среды - третья эволюционная стратегия. Как отмечал И.И. Шмальгаузен (1968), вектор прогрессивной эволюции направлен в сторону повышения надежности процессов передачи и реализации генетической информации. Наибольшего эволюционного прогресса в этом смысле достигли млекопитающие с их теплокровностью и долгим пренатальным онтогенезом, обеспечивающим прохождение критических стадий индивидуального развития в гомеостатированных условиях.
Механизмы гомеостаза возникают в рамках стабилизирующего отбора, вследствие появления регуляторных контуров с отрицательными обратными связями (ООС) (Kolchanov et al., 1994). В основе этого лежит "обнейтраливание" мутаций (Kolchanov et al., 1994). ООС управляют процессами жизнедеятельности, поддерживая величину контролируемого параметра X на уровне XQ, близком к оптимальному для данных условий среды. Отклонение величины X от XQ может быть как результатом функциональных изменений организма, вызванных факторами внутренней/внешней среды, так и следствием фенотипического проявления мутаций на некоторых стадиях онтогенеза особи. Например, концентрация белка в клетке может упасть по сравнению с нормой вследствие изменения физиологического статуса клетки (скажем, из-за роста ее водного объема) или за счет мутационного повреждения конформацион-ной стабильности белка, из-за чего он быстро деградирует. В обоих случаях нормализация концентрации белка в клетке достигается через ускорение его биосинтеза по механизму ООС. Отметим, что контуру с ООС "безразлична" причина флуктуации, которые он компенсирует (Kolchanov et al., 1994). Именно таким способом ООС "обнейтраливает" мутации. Значительная часть мутаций, являющихся в отсутствие контура с ООС повреждающими или адаптивными, в присутствии такого контура будут нейтральны (рис. 2). Причем конкретный механизм ООС для эффекта "обнейтраливания" неважен. Нейтрализация мутаций - один из наиболее простых и наиболее фундаментальных эволюционных эффектов регуляторных контуров с ООС. Именно она способствует формированию регуляторных контуров с ООС при стабилизирующем отборе. Стабилизирующий отбор действует в постоянных условиях среды, повышая приспособленность особей, жизненно важный параметр X которых имеет значения, близкие к XQ - оптимуму для данных условий среды. Под прессом мутаций в популяции возникают особи с сильноотклоняющимися значениями параметра X. Тогда снижение приспособленности будет минимально у особей с эффективно работающими контурами с ООС -у них такие мутации обнейтралены. Естественно, что в этой ситуации отбором будут браковаться прежде всего особи, не имеющие указанных контуров регуляции (рис. 3). Но при выраженных изменениях среды ООС, поддерживая критический параметр X около XQ, препятствует адаптации особей к новым условиям среды (рис. 3). Адаптация к новым условиям среды требует полного разрушения или радикальной перестройки системы регуляторных контуров с ООС (Колчанов, Шиндялов, 1991).
ЭВОЛЮЦИЯ ГЕНОМОВ: ДУПЛИКАЦИИ, ПОЛИПЛОИДИЗАЦИЯ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Дупликации - один из наиболее значимых механизмов эволюционного преобразования геномов (Оно, 1973). Копия дуплицированного гена может в ходе эволюции приобретать новую функцию под "прикрытием" другого, работоспособного гена. При этом изменения могут затрагивать: (1) кодирующие части генов, вызывая изменение белковых продуктов (вплоть до утраты старой и приобретения новой функции); (2) регу-ляторные районы, контролирующие экспрессию генов (с приобретением качественно новых регуляторных особенностей); (3) протяженные геномные фрагменты, содержащие большие группы генов; (4) целые хромосомы или полные геномы (полиплоидизация). Все вышеперечисленные типы дупликаций выявлены во всех секвениро-ванных в настоящее время геномах эукариот, бактерий и вирусов.
На ранних этапах эволюции геномов важнейшую роль играла полиплоидизация. Например, по молекулярным данным, геном растения араби-допсис (Walbot, 2000) сформирован в результате двух циклов полиплоидизации (~180 и 112 млн. лет назад), за которыми шли массовые потери генов и хромосомные перестройки. В итоге, современный геном этого растения значительно уменьшился и имеет 5 хромосом в гаплоидном наборе. Отражением событий далекого прошлого является наличие 4-х дуплицированных фрагментов, расположенных на разных хромосомах. Массовые протяженные дупликации покрывают ~60-70% генома, содержащего до 26000 генов. При этом 70% генов представлены как минимум в одной дуплицированной копии, а 17% генов имеют тандемное расположение (Bancroft, 2001).
Особенно важные последствия могут иметь дупликации генов, кодирующих регуляторные белки. Например, изучение гавайских видов растений семейства Asteraceae показало, что у них, в отличие от североамериканских видов, дуплицированы гены регулярных белков API и АРЗ. Оба дуплицированных гена экспрессируются. При этом темпы морфологической эволюции видов семейства Asteraceae коррелируют с темпами молекулярной эволюции генов API и АРЗ (Barrier et al., 2001). У кукурузы изучена смена тканеспе-цифичности. Ген pi, экспрессирующийся в пери-карпе зерна, стержне початка, нижних цветковых чешуях метелки и в шелке (столбики початка кукурузы) и ген р2, экспрессирующийся в шелке и пыльниках - потомки гена, дуплицированного 2.75 млн. лет назад (Zhang et al., 2000).
В эволюционных преобразованиях специфична роль дупликаций протяженных районов геномной ДНК со многими генами. На основе одной из душшцированных копий возможно появление качественно новых свойств уже не у одного, а у целого ансамбля генов - генной сети. Например, общий предок дрожжей Saccharomyces cerevisiae, Ashbya gossypii и Kluyveromyces lactis был аэробом. Переход дрожжей S. cerevisiae на анаэробный тип обмена произошел ~100 млн. лет назад и был связан с мегадупликацией (Piskur, 2001).
Еще один источник новых генов - горизонтальный перенос. Доказательства интенсивного горизонтального переноса генов из генома органелл в ядро получены при сравнении полных геномов арабидопсиса, дрожжей и бактерий, включая цианобактерию Synechocystis (Rujan, Martin, 2001). Предполагается, что предками пластид растений были цианобактерии (Cavalier-Smith, 2002; Carroll, 2001). На филогенетических деревьях для каждого гена арабидопсиса и его гомологов в других организмах выявляли случаи, когда ген растения находился на одной ветви с гомологичным геном цианобактерии. Из 3961 рассмотренного гена арабидопсиса статистическим критериям близости на филогенетическом дереве цианобактерии отвечало от 1.6% до 9.2% генов. Учитывая, что в ядерном геноме арабидопсиса 25000 генов, верхняя и нижняя оценки для привнесенных горизонтально от цианобактерии генов составляют 400 - 2200 генов. Гибридизация in situ показывает, что у цветковых растений перенос генов из митохондрий в ядро был нередок и происходил в разных линиях многократно и независимо (Gray, 2000).
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЛОГЕНИЯ
Сравнение последовательностей ДНК одного и того же гена у разных таксонов позволяет строить филогенетические деревья и оценивать датировку эволюционных событий. Не углубляясь в технику построения филогенетических деревьев по молекулярным данным (Whelan et al., 2001; Kolchanov et al., 1994) отметим качественные особенности метода молекулярных часов. Для оценки скорости молекулярной эволюции (рис. 4) надо подсчитать число нуклеотидных различий N1,2 между последовательностями маркерного гена у двух таксонов S1, S2 и иметь палеонтологические или биогеографические оценки времени T1,2 дивергенции этих таксонов. Скорость эволюции маркерного гена измеряют количеством замен в год, нормированным на длину последовательности: V = N1,2 /2T1,2 L
Зная скорость эволюции маркерного гена, можно оценить время дивергенции любых таксонов S3, S4, для которых известны последовательности ДНК этого гена: Т3,4 = N3,4/2V. Эти оценки справедливы только при равномерности скоростей фиксации нуклеотидных замен в ходе молекулярной эволюции данного гена (концепция молекулярных часов). Чтобы соответствовать этой концепции используют, как правило, третьи позиции кодонов или некодирующие участки геномов, изменения в которых в основном эво-люционно нейтральны (Chang, Donoghue, 2000).
Молекулярная филогения - мощный инструмент таксономии, поставляющий данные, которые зачастую невозможно получить другим методом. Так, эволюционная близость китов и парнокопытных, показанная методами молекулярной филогении (Jong, 1998), лишь недавно подтверждена палеонтологами (Thewissen et al., 2001) (рис. 5).
Другой пример - сведение в группу афротери-ев шести таксонов млекопитающих, происхождение и/или эволюция которых связаны с Африкой. Несмотря на огромные морфологические различия, слоны, даманы, сирены, трубкозубы, златокроты и прыгунчики сохранили сходные особенности структуры ядерного и митохондриального геномов (рис. 5). С другой стороны, нельзя переоценивать возможности молекулярной филогении. Палеонтолог, как правило, имеет дело сразу с несколькими диагностическими признаками, комплекс которых и позволяет однозначно говорить о принадлежности образца к данному таксону. Молекулярный биолог, за отсутствием полногеномных последовательностей большинства видов, пока лишен такой возможности, поэтому его построения зависят от количества взятых в анализ генов.
Оценки времени дивергенции таксонов методами молекулярной филогении за редким исключением дают более древнее время расхождения, нежели палеонтологические. Например, несмотря на большой интервал датировок, полученные результаты указывают на начало дивергенции многих таксонов млекопитающих в меловом периоде, задолго до вымирания динозавров. В частности, ветви, ведущие к приматам, грызунам, насекомоядным и хищным дивергируют уже 140-90 млн. лет назад. Только следующий всплеск дивергенции - 80-50 млн. лет назад - приходится на время вымирания динозавров (Jong, 1998; Brom-ham et al., 1999; Cao et al., 2000; Nikaido et al., 2001; Arnason, Janke, 2002) (рис. 5). Казалось, это противоречит гипотезе о начале радиации млекопитающих вследствие освобождения экологических ниш динозаврами. На самом деле, молекулярные часы ничего не могут сказать об адаптациях и экологических нишах, так как рассматривают нейтральные замены. Наоборот, новые таксоны возникают, как правило, вследствие появления адаптивных признаков. Понятия "нейтральность" и "адаптивность" неоднозначны - нейтральные признаки могут стать адаптивными при выходе в новую экологическую нишу. Следовательно, гипотезы "ранней" и "поздней" дивергенции млекопитающих не противоречат, а дополняют друг друга. Можно предположить, что, "живя в тени динозавров", млекопитающие интенсивно накапливали генетическую изменчивость. Большой резерв генетической изменчивости мог позволить им сформировать множество "скрытых" преадап-таций, реализовавшихся после вымирания динозавров. По-видимому, это общее явление - морфологическому эволюционному взрыву предшествует длительный период молекулярной дивергенции. Например, молекулярная дивергенция Metazoa началась -1500 млн. лет назад, задолго до кембрийского взрыва (Cooper, Fortey, 1998), а дивергенция птиц и лепидозавров - в триасе, при появлении их в палеонтологической летописи в юре (Hedges, Poling, 1999).
НЕЙТРАЛЬНОСТЬ - АДАПТИВНОСТЬ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ
Сформулированная М. Кимурой (1985) концепция нейтральности утверждает, что подавляющее большинство мутаций, фиксирующихся в ходе эволюции любых макромолекул, будут нейтральными - не влияющими на приспособленность особей. Фиксация адаптивных мутаций - событие весьма редкое. Как минимум два обстоятельства делают нейтральный режим молекулярной эволюции наиболее распространенным. Отмеченное выше "обнейтраливание" мутационных спектров контурами ООС (Колчанов, Шиндялов, 1991) согласуется с ограничениями, вытекающими из дилеммы Холдейна (Ratner et al., 1996), которая запрещает длительную адаптивную эволюцию популяций по многим локусам одновременно, так как быстрый рост генетического груза поставит популяцию на грань вырождения. Фиксация адаптивных мутаций, хотя именно она обеспечивает приобретение принципиально новых свойств организмами, не может быть частым событием. Оценки показывают, что для популяций животных количество локусов, по которым возможен одновременный отбор, не может превышать 10-15 (Ratner et al., 1996).
Теория молекулярной эволюции, обращая внимание на широкое распространение нейтрального режима фиксации мутаций, одновременно дает в руки исследователей простые и надежные критерии выявления адаптивного режима молекулярной эволюции генов. Например, 16-я хромосома человека длиной 15 млн. пар оснований содержит 15 копий гена morpheus (Johnson et al., 2001). У орангутанга, гориллы и шимпанзе выявлено 9,17 и 25-30 копий этого гена соответственно. Сравнение белок-кодирующих районов этого гена в пределах геномов и между геномами различных видов приматов выявило исключительно высокий уровень положительного отбора по второму и четвертому экзонам этого гена. Отношение Ks/Kn (число синонимических замен, отнесенное к числу несинонимических замен) было критерием положительной селекции. При нейтральном режиме эволюции эта величина должна быть меньше 1, а при положительном отборе - больше 1. В ряде случаев Ks/Kn равнялось 10-13, указывая на исключительно высокий уровень положительного отбора в нуклеотидных последовательностях дуплицированных генов. Таким образом, сравнительная геномика дает яркие количественные доказательства справедливости представлений о дупликациях (Оно, 1973) как факторе адаптивной эволюции генов.
Построение филогенетических деревьев для лизоцимов обезьян показало, что в линиях гоми-нид и гверец лизоцимы в прошлом эволюционировали адаптивно (Ks/Kn равно 5.1 и 4.7 соответственно) (Chang, Donoghue, 2000).
С помощью молекулярной филогении проведена реконструкция и синтез предковых рибонукле-аз парнокопытных. Оказалось, что они термостабильнее современных и эффективнее переваривают однонитевую РНК. Важно, что некоторые из них могли переваривать двухнитевую РНК. Почти полная утрата этой активности была главным адаптивным событием в эволюции рибонуклеаз парнокопытных (Chang, Donoghue, 2000).
Исследование геномов открыло замечательные эволюционные преобразования транскрипционной машины эукариот, ведущие к появлению качественно новых морфологических признаков. Например, одной из основных мишеней селекции при одомашнивании кукурузы был регуляторный район гена tbl (teosinte-branched 1) (Wang et al., 1999). Молекулярно-популяционный анализ показал, что эволюция характерных особенностей строения початка кукурузы, отличающих ее от дикого предка - теосинта, связана с положительным отбором и фиксацией в промоторе гена tbl комплекса адаптивных мутаций.
На особую роль генов транскрипционной машины в эволюции эукариот указывает анализ генома арабидопсиса. Его гены расклассифицировали по функциональной значимости, после чего провели оценку их консервативности, сравнив с гомологичными последовательностями Е. coli, Synechocystis cerevisia, Caenorhabditis elegans, дрозофилы и человека (The Arabidopsis..., 2000). Среди всех изученных групп генов быстрее всего эволюционировали гены, кодирующие белки, участвующие в регуляции транскрипции. Самыми консервативными были гены белков трансляционной машины, гены, кодирующие белки генных сетей клеточного цикла, роста клеток и синтеза ДНК.
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ КОДИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ СЛОЖНОСТИ
Морфологическая сложность организмов поражает, однако поиск базовых геномных характеристик, связанных с морфологической сложностью, до сих пор не увенчался успехом, несмотря на детальный анализ многих геномов про- и эукариот.
Тем не менее можно видеть, что усложнение организации, при переходе от одноклеточных к многоклеточным организмам (табл. 1), отражается в росте размеров генома и числа генов (Carroll, 2001). При этом низшие одноклеточные эукариоты (дрожжи) по количеству генов (5000-6000) и размеру генома (12.6-11.4 млн. пар оснований) близки к прокариотам. Интересно, что Dictyostel-ium discoideum по количеству генов (-10000-12000) и размеру генома (34 млн. пар оснований) занимает промежуточную позицию между дрожжами и многоклеточными организмами.
В то же время у многоклеточных эукариот отсутствует корреляция между морфологической сложностью и размерами генома (табл. 1). Например, геном насекомого Drosophila melanogaster лишь в 2 раза больше генома нематоды Саеnorhabditis elegans при существенно большей мор-4юлогической сложности насекомого. Еще удивительнее отсутствие корреляции между морфологической сложностью многоклеточных организмов и количеством генов в их геномах. Количество генов у С. elegans равно 20210 по сравнению с 13600 у D. melanogaster. Количество генов у человека (35000) лишь на 30% больше, чем у С. elegans, но существенно меньше, чем у риса (55620).
Отсутствие связи между свойствами геномов (размеры, число генов и т.д.) и сложностью многоклеточных организмов означает, что в кодировании сложности ключевую роль играют качественно новые, комбинаторные механизмы. Комбинаторный принцип кодирования наглядно проявляется при рассмотрении кодов регуляции транскрипции генов многоклеточных эукариот. Они организованы так, что возможна запись огромного разнообразия вариантов экспрессии каждого из имеющихся генов. В то время как у прокариот характерный размер регуляторного района гена составляет 60-70 пар оснований, у эукариот он намного больше и может достигать десятков тысяч пар оснований и содержать десятки сайтов связывания транскрипционных факторов (Колчанов и др., 2001). В ядре клетки в зависимости от ее типа, стадии клеточного цикла, стадии онтогенеза организма, действия внешних индукторов и т.д. функционирует вполне определенный набор транскрипционных факторов, взаимодействующих с конкретным набором сайтов экс-прессируемого гена (Колчанов и др., 2001). Рассмотрим регуляторный район, содержащий /сайтов связывания транскрипционных факторов. Предполагая, что каждый сайт может находиться в двух состояниях: (1) свободном и (2) связанном с соответствующим транскрипционным фактором, можно оценить W — полное количество состояний регуляторного района - как 2J. При J = 20, W ~ 1000, т.е. даже в простейшем варианте с двумя состояниями каждого сайта емкость такого кода регуляции транскрипции весьма велика. Даже при небольшом числе транскрипционных факторов, но с множеством сайтов связывания в регуляторном районе гена, его кодирующая емкость будет огромна. С этим согласуется тот факт, что только 3% генов в геномах человека и дрозофилы кодируют транскрипционные факторы. В рамках комбинаторной модели этого достаточно для кодирования огромного разнообразия вариантов транскрипции всех генов в огромном множестве клеток и тканей при различных функциональных состояниях организма.
Комбинаторный принцип кодирования наглядно проявляется и на примере альтернативного сплайсинга пре-мРНК эукариот (Graveley, 2001). Известно, что у эукариот в отличие от прокариот кодирующие части гена (экзоны) разделены некодирующими вставками (нитронами). В ходе сплайсинга (вырезания интронов и сшивания соседних экзонов) формируется зрелая молекула мРНК. Для многих пре-мРНК характерен альтернативный сплайсинг, обеспечивающий различия в сборке экзонов. Наличие альтернативных программ сплайсинга позволяет в пределах одного гена кодировать информацию о семействе белков, частично отличающихся наборами экзонов. Известны гены, обеспечивающие продукцию от десятков до тысяч вариантов белковых продуктов. Например, ген DSCAM дрозофилы, путем альтернативного сплайсинга, кодирует тысячи вариантов белка, контролирующего рост и формирование аксонов (Black, 2000), тем самым тонко регулируя формирование нервной системы (рис. 6).
Итак, экзон-интронная структура и альтернативный сплайсинг, возникающий на ее основе, представляют совершенно новый вариант кодирования генетической информации огромной емкости, отсутствующий у прокариот. Это - эволюционное приспособление широкого профиля, которое позволяет эукариотам фактически безгранично наращивать сложность генетических программ экспрессии индивидуальных генов без необходимости существенного увеличения размеров геномов (Maniatis, Tasic, 2002; Graveley, 2001).
Возможно, этим частично и объясняется замораживание сложности организации геномов эукариот по числу содержащихся в них генов на уровне 15000-30000. Количество генов в геномах растений, беспозвоночных и млекопитающих попадает в этот интервал, несмотря на огромные различия в морфологической сложности этих организмов, в механизмах их онтогенеза и адаптации к изменениям в окружающей среде. Представляется, что возникновение у эукариот комбинаторных механизмов регуляции транскрипции, экзон-ин-тронной структуры, механизмов альтернативного сплайсинга, создав основы для исключительно эффективного способа кодирования огромного разнообразия вариантов одного и того же белка, сделало ненужным дальнейшее радикальное увеличение геномов эукариот.
Наиболее высокий уровень комбинаторного кодирования сложности соответствует генным сетям организмов. Морфологическая сложность организмов как результат реализации генетических программ развития реализуется на уровне определенной генной сети (Колчанов и др., 2000) и зависит от свойств образующих ее элементов и взаимосвязей между ними.
Наиболее полно в настоящее время изучена генная сеть, контролирующая развитие цветка. С учетом огромного разнообразия форм строения цветков следовало ожидать, что их онтогенез у разных растений контролируется различными (иногда принципиально несходными) генетическими программами. Но недавно показано, что реализация программы развития любого цветка осуществляется в ходе функционирования достаточно универсальной и эволюционно консервативной генной сети, оперирующей ограниченным репертуаром регуляторных белков, взаимодействующих с промоторами определенных генов. Ключевые белки-регуляторы этой генной сети имеют стандартное строение и в основном кодируются семейством MADS генов (Horana, Goto, 2001; Theissen, Saedler, 2001). Различные комбинации MADS-белков активируют разные гены. Филогенетический анализ MADS-белков показал (Lawton et al., 2000), что они произошли от общего предка, разойдясь ~486 млн. лет назад на 4 основные группы - AG, АРЗ, PI, API/AGL9. Позднее (-285 млн. лет назад) произошла взрывная дивергенция MADS генов, обеспечив предкам покрытосеменных растений вес необходимое разнообразие вариантов генетического контроля развития цветка.
Фактически, генная сеть, контролирующая развитие цветка является своеобразным молекуляр-но-генетическим автоматом - системой, функционирующей в определенном количестве дискретных режимов. Этот автомат, в зависимости от свойств его регуляторных белков и особенностей их взаимодействия с регуляторными районами генов, может реализовывать различные генетические программы развития цветка. Развитие цветка иллюстрирует комбинаторный принцип генетического кодирования биологической сложности на уровне генных сетей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М.: Мир, 1985. 498 с.
Колчанов Н.А., Ананько Е.А., Колпаков Ф.А. и др. Генные сети // Мол. биол. 2000. Т. 34. № 4. С. 533-544.
Колчанов Н.А., Подколодная О.А., Ананько Е.А. и др. Регуляция транскрипции генов эукариот: описание в базе данных TRRD // Мол. биол. 2001. Т. 35. № 6. С. 934-942.
Колчанов НЛ., Матушкин Ю.Г. Самоорганизующиеся системы в биологии: основы организации и законы эволюции // Генетика. 1997. № 33. С. 733-742.
Колчанов Н.А., Шиндялов И.Н. Теоретическое исследование эволюции регуляторных контуров при различных типах отбора // Проблемы генетики и теории эволюции / Ред. Шумный В.К., Колчанов Н.А., Рувин-ский А.О. Новосибирск: Наука, 1991. С. 268-279.
Кузнецов А.П., Виноградов М.Е.,Лаппо С.С. Фотосинтез и оксигенизация земной атмосферы // Изв. РАН. Сер. биол. 2002. № 3. С. 355-358.
Оно С. Генетические механизмы прогрессивной эволюции. М.: Мир, 1973. 222 с.
Полянский Ю.И. О закономерностях микро- и макроэволюции у одноклеточных эукариот // Проблемы генетики и теории эволюции / Ред. Шумный В.К., Колчанов Н.А., Рувинский А.О. Новосибирск: Наука, 1991. С. 229-241.
Прозоров А.А. Альтруизм в мире бактерий? // Усп. совр. биол. 2002. Т. 122. № 5. С. 403-413.
Ратнер В.А. Генетика. Молекулярная кибернетика // Личности и проблемы. Новосибирск.: Наука, 2002. С. 104-121.
Шмальгаузен И.И. Факторы эволюции (теория стабилизирующего отбора). М.: Наука, 1968.452 с.
Anders E. Pre-biotic organic matter from comets and asteroids // Nature. 1989. V. 342. № 6247. P. 255-257.
Arnason V., Janke A. Mitogenomic analyses of eutherian relationships // Cytogenet. Genome Res. 2002. V. 96. № 1-4. P. 20-32.
Bancroft I. Duplicate and diverge: the evolution of plant genome microstructure // Trends Genet. 2001. V. 17. № 2. P. 89-93.
Barrier M., Robichaux R.H., Purugganan M.D. Accelerated regulatory gene evolution in an adaptive radiation // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2001. V. 98. № 18. P. 10208-10213.
Bartel D.P., 2003. http://www.wi.mit.edu/nap/pdfs/Directors_Report/dir_bartel02.pdf
http://www.wi.mit.edu/nap/pdfs/Research%20Summaries/research_bartel.pdf
BlackD.L. Protein diversity from alternative splicing: a challenge for bioinformatics and post-genome biology // Cell. 2000. V. 103. № 3. P. 367-370.
Brandes JA., Boctor N.Z., Cody G.D. et al. Abiotic nitrogen reduction on the early Earth // Nature. 1998. V. 395. № 6700. P. 365-367.
Bromham L., Phillips MJ., Penny D. Growing up with dinosaurs: molecular dates and mammalian radiation // Trends Ecol. Evol. 1999. V. 14. № 3. P. 113-118.
Cao Y., Fujiwara M., Nikaido M. et al. Interordinal relationships and timescale of eutherian evolution as inferred from mitochondrial genome data // Gene. 2000. V. 259. № 1-2. P. 149-158.
Cavalier-Smith T. The phagotrophic origin of eucaryotes and phylogenetic classification of Protozoa // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2002. V. 52. Pt. 2. P. 297-354.
Carroll S.B. Chance and necessity; the evolution of morphological complexity and diversity // Nature. 2001. V. 409. №6823. P. 1102-1109.
Chang B.S.W., Donoghue MJ. Recreating ancestral proteins // Trends Ecol. Evol. 2000. V. 15. № 3. P. 109-114.
Chow K.C. Hsp70 (DnaK) - an evolution facilitator? // Trends Genet. 2000. V. 16. № 11. P. 484-485.
Chyba C.F., McDonald G.D. The origin of life in the Solar system: current issues // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 1995. V. 23. P. 215-249.
Chyba C.F., Sagan C. Electrical energy sources for organic synthesis on the early Earth // Orig. Life Evol. Biosph. 1991. V. 21. № 1. P. 3-7.
Clemett SJ., Maechling C.R., Zare R.N. et al. Identification of complex aromatic molecules in individual interplanetary dust particles // Science. 1993. V. 262. № 11. P. 721-725.
Cody G.D., Boctor N.Z., Filley T.R. et al. Primordial carbon-ylated iron-sulfur compounds and the synthesis pyruvate // Science. 2000. V. 289. № 5483. P. 1337-1340.
Cooper A., Fortey R. Evolutionary explosions and the phylogenetic fuse//Trends Ecol. Evol. 1998. V. 13. №4. P. 151-156.
DoudnaJA., Cech ТЯ. The chemical repertoire of natural ri-bozymes // Nature. 2002. V. 418. № 6894. P. 222-228.
Edwards M.R. From a soup or a seed? Pyritic metabolic complexes in the origin of life // Trends Ecol. Evol. 1998. V. 13. № 5. P. 178-181.
Egholm M., Buchardt O., Nielsen P.E., Berg R.H. Peptide nucleic acids (PNA). Oligonucleotide analogues with anachiral peptide backborne // J. Amer. Chem. Soc. 1992. V. 114. № 4529. P. 1897-1898.
Eigen M. Selforganization of matter and the evolution of biological macromolecules // Naturwiss. 1971. B. 58. № 10. S. 465-523.
Ellington A.D., SzostakJ.W. In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands // Nature. 1990. V. 346. №6287. P. 818-822.
Embley T.M., Horner DA., Hirt R.P. Anaerobic eucariote evolution: hydrogenosomes as biochemically modified mitochondria//Trends Ecol. Evol. 1997. V. 12. № 11. P. 437-441.
Eschenmoser A. Hexose nucleic acids // Pure Appl. Chem. 1993. V. 65. № 6. P. 1179-1188.
Ferris J.P. Chemical markers of prebiotic chemistry in hy-drotermal systems // Orig. Life Evol. Biosph. 1992. V. 22. № 1-4. P. 109-134.
Finkel E. DNA cuts its teeth — as an enzyme // Science. 1999. V. 286. № 5449. P. 2441-2442.
Glockner G., Eichinger L., Szafranski K. et al. Dictyostelium Genome Sequencing Consortium. Sequence and analysis of chromosome 2 of Dictyostelium discoideum // Nature. 2002. V. 418. № 6893. P. 79-85.
Graveley B.R. Alternative splicing: increasing diversity in the proteomic world // Trends Genet. 2001. V. 17. № 2. P. 100-106.
Gray M.W. Mitochondrial genes on the move // Nature. 2000. V. 408. № 6810. P. 302-304.
Hedges S.B., Poling L.L. A molecular phylogeny of reptiles // Science. 1999. V. 283. № 5404. P. 998-1001.
Honma Т., Goto K. Complexes of MADS-box proteins are sufficient to convert leaves into floral organs // Nature. 2001. V. 409. № 6819. P. 525-529.
Johnson M.E., Viggiano L., Bay ley JA. et al. Positive selection of a gene family during the emergence of humans and African apes // Nature. 2001. V. 413. № 6855. P. 514-518.
Johnston W.K., Unrau PJ., Lawrence M.S. et al. RNA-cata-lyzed RNA polimerization: Accurate and general RNA-tem-plated primer extension // Science. 2001. V. 292. № 5520. P. 1319-1325.
Jong W.W., de. Molecules remodel the mammalian tree // Trends Ecol. Evol. 1998. V. 13. № 7. P. 270-275.
Joyce G.F. The antiquity of RNA-based evolution // Nature. 2002. V. 418. № 6894. P. 214-221.
Joyce G.F., Schwartz A.W., Miller S.L., Orgel L.E. The case for an ancestral genetic system involving simple analogues of the nucleotides // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1987. V. 84. № 13. P. 4398-4402.
Kasting J.F., Zahnle KJ., Pinto J.P., Young A.T. Sulfur, ultraviolet radiation and the early evolution of life // Orig. Life Evol. Biosph. 1989. V. 19. № 2. P. 95-108.
Kolchanov NA., Lim HA. et al. Computer Analysis of Genetic Macromolecules: structure, function and evolution. Singapore etc.: World Scientific, 1994. 556 p.
Lawton A.L.,Alvarez-Buylla E.R., Purugganan M.D. Molecular evolution of flower development // Trends Ecol. Evol. 2000. V. 15. № 4. P. 144-149.
Lee N., Bessho Y., SzostakJ.W., Suga H. Ribozyme-catalized tRNA aminoacilation // Nature Struct. Biol. 2000. V. 7. № 1. P. 28-33.
Line MA. The enigma of the origin of life and its timing // Microbiology. 2002. V. 148. Pt 1. P. 21-27. Maniatis Т., Tasic B. Alternative pre-mRNA splicing and proteome expansion in metazoans // Nature. 2002. V. 418. № 6894. P. 236-243.
Miller S.L. A production of amino acids under possible primitive Earth conditions // Science. 1953. V. 117. № 3046. P. 528-529.
Monnard PA., Apel C.L., Kanavarioti A., Deamer D.W. Influence of ionic inorganic solutes on self-assembly and polymerization processes related of early forms of life: implications for a prebiotic aqueous medium // Astrobiol. 2002. V. 2. № 2. P. 139-152.
Nisbet E.G., Sleep N.H. The habitant and nature of early life // Nature. 2001. V. 409. № 6823. P. 1083-1091.
Navarro-Gonzales R., McKay C.P., Mvondo D.N. A possible nitrogen crisis for Archaean life due to reduced nitrogen fixation by lighting // Nature. 2001. V. 412. № 6842. P. 61-64.
Nikaido M., Kawai K., Cao Y. et al. Maximum likelihood analysis of the complete mitochondrial genomes of eutheri-ans and a reevaluation of the phylogeny of bats and insecti-vores // J. Mol. Evol. 2001. V. 53. № 4-5. P. 508-516.
Oro J., Kimball A.P. Synthesis of purines under possible primitive Earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide // Arch. Biochem. Biophys. 1961. V. 94. № 2. P. 217-227.
Oro J., Miller S.L., Lazscano A. The origin and early evolution of life on Earth // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 1990. V. 18. P. 317-356.
Piskur J. Origin of duplicated regions in the yeast genomes // Trends Genet. 2001. V. 17. № 6. P. 302-303.
Ratner VA., Zharkikh AA., Kolchanov NA. et al. Molecular evolution. Berlin: Springer, 1996.433 p.
Rujan Т., Martin W. How many genes in Arabidopsis come from cyanobacteria? An estimate from 386 protein phyloge-nies // Trends Genet. 2001. V. 17. № 3. P. 113-120.
Rye R., Holland H.D. Paleosoils and the evolution of atmospheric oxygen; a critical review // Amer. J. Sci. 1998. V. 298. № 8. P. 621-672.
Sagan C., Chyba C.F. The early Sun paradox: organic shielding of ultraviolet-labile greenhouse gases // Science. 1997. V. 276. № 5316. P. 1217-1221.
Salechi-Ashtiani K., SzostakJ.W. In vitro evolution suggests multiple origins for the hammerhead ribozyme // Nature. 2001. V. 414. № 6859. P. 82-84.
Sanchez RA., Orgel L.E. Studies in prebiotic synthesis. V. Synthesis and photoanomerization of pyrimidine nucleo-sides // J. Mol. Biol. 1970. V. 47. № 3. P. 531-543.
Schultes EA., Bartel D.P. One sequence. Two ribozyme: implication for the emergence of new ribozyme folds // Science. 2000. V. 289. № 5478. P. 448-451.
Schidlowski M. A 3.800 million-year old record of life from carbon in sedimentary rocks // Nature. 1988. V. 333. №6171. P. 313-318.
Shapiro R. Prebiotic ribose synthesis: a critical analyses // Orig. Life Evol. Biosph. 1988. V. 18. № 1-2. P. 71-85.
Shock E.L. Geochemical constraints on the origiruof organic compounds in hydrotermal system // Orig. Life Evol. Biosph. 1990. V. 20. № 5. P. 331-367.
ShopfJ.W., Parker B.M. Early Archean (3.3 billion to 3.5 billion year old) microfossils from Warrawoona Group, Australia // Science. 1987. V. 237. № 4810. P. 70-73.
Strassmann J.E., Zhu Y., Queller D.C. Altruism and cheating in the social amoeba Dictyostelium discoideum // Nature. 2000. V. 408. № 6815. P. 965-967.
Strobel SA., Ryder S.P. Biological catalysis: the hairpin's turn // Nature. 2001. V. 410. № 6830. P. 761-763.
Strobel SA. Biological catalysis: Repopulating the RNA World // Nature. 2001. V. 411. № 6841. P. 1003-1004.
SzostakJ.W., Bartel D.P., Luisi PL. Synthesizing life // Nature. 2001. V. 409. № 6818. P. 387-390.
The Arabidopsis Genome Initiative Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana // Nature. 2000. V. 408. № 6814. P. 796-815.
Theissen G., Saedler H. Floral quartets // Nature. 2001. V. 409. №6819. P. 469-471.
Thewissen J.G.M., Williams EM., Roe LJ., Hussain S.T. Skeletons of terrestrial cetaceans and the relationship of whales to artiodactyls // Nature. 2001. V. 413. № 6853. P. 277-281.
Unrau PJ., Bartel D.P. RNA-catalized nucleotide synthesis // Nature. 1998. V. 395. № 6699. P. 260-263.
Wachtershauser G. Evolution of the first metabolic cycles // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1990. V. 87. JSb 1. P. 200-204.
Walbot V. A green chapter in the book of life // Nature. 2000. V. 408. № 6814. P. 794-795.
Wang R.L., Stec A., Hey J. et al. The limits of selection during maize domestication // Nature. 1999. V. 398. № 6724. P. 236-239.
Whelan S., Lio P., Goldman N. Molecular phylogenetics: state-of-the-art methods for looking into the past // Trends Genet. 2001. V. 17. № 5. P. 262-272.
Wright IP., Grady MM., Pillinger C.T. Organic materials in a Martian meteorite // Nature. 1989. V. 340. № 6230. P. 220-222.
Zhang P., Chopra S., Peterson T. A segmental gene duplication generated differentially expressed myb-homologous genes in maize // Plant Cell. 2000. V. 12. № 12. P. 2311-2322.
Zhang В., Cech T.R. Peptide bond formation by in vitro selected ribozyme // Nature. 1997. V. 390. № 6655. P. 96-100.