Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Но возьмем менее стабилизированный генотип, в котором закладка конечностей зависит от концентрации только двух морфогенов, и внесем точно такую же мутацию — позволим конечностям развиваться из любых типов клеток. Хотя разница двух червячков с виду не так уж велика, но эффект мутации в этом случае оказался намного более серьезным. Расположение конечностей стало гораздо менее упорядоченным, ноги теперь выросли по всему телу, включая голову, и строение ног тоже изменилось — они стали толстые и кривые.

Мы даже не сразу поняли, почему ноги стали толстыми и кривыми. Как оказалось, дело в том, что теперь набор условий, необходимых для превращения клетки в зачаток ноги, стал время от времени выполняться и в самих растущих ногах, поэтому каждая такая толстая нога в действительности является несколькими сросшимися ногами.

Избыточные регуляторы — типичный пример адаптаций, которые поддерживаются отбором «для стабильности», но в конечном счете способствуют эволюционным изменениям.

Перейдем теперь от модели к реальности и познакомимся с недавно открытой группой таких «избыточных» регуляторов — теневыми энхансерами.

Майкл Левин и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли (США) много лет изучают работу генов — регуляторов раннего развития у дрозофил. Одним из таких генов является транскрипционный фактор Dorsal ( DL ), отвечающий за разделение брюшной и спинной стороны у ранних эмбрионов дрозофил. Исследования Левина с коллегами показали, что DL имеет сотни сайтов связывания, рассыпанных по всему геному, т. е. активирует экспрессию сотен генов. Сайты связывания DL входят в состав примерно 40 сложных энхансеров — комплексов из нескольких сайтов связывания ТФ (в широком смысле энхансером иногда называют и одиночный сайт связывания ТФ). Подтвердить функциональность энхансеров удалось с помощью трансгенных эмбрионов с удаленными участками ДНК. С помощью этих мутантов ученые выяснили, какие из нуклеотидных последовательностей действительно работают в качестве энхансеров, регулируемых белком DL.

Но оказалось, что у генов, подчиненных DL, может быть даже не по одному, а по два энхансера. Как правило, энхансеры находятся вблизи (в пределах нескольких тысяч пар нуклеотидов) начала белок-кодирующей части гена. Но в случае с DL-зависимыми генами их энхансеры могут располагаться и далеко, в десятках тысяч пар нуклеотидов от места начала транскрипции, и вблизи других, индифферентных к DL, генов или даже внутри них. Эти необычные энхансеры были названы теневыми. Соседние с теневыми энхансерами гены начинают экспрессироваться уже на более поздних стадиях развития, поэтому очевидно, что «ранний» транскрипционный фактор DL не имеет к ним отношения. Отключив основные энхансеры мутациями, ученые показали, что их скрытые двойники обеспечивают сходную картину экспрессии генов (т. е. теневые энхансеры дублируют функции основных).

Чтобы оценить изменчивость энхансеров, ученые построили эволюционные деревья по 12 близким видам дрозофил отдельно для теневых и основных регуляторных элементов. По длине ветвей получившихся деревьев оценили скорость мутирования у основных и теневых энхансеров. Оказалось, что теневые энхансеры мутировали в среднем в 1,6 раза чаще, чем основные.

Это значит, что теневые энхансеры более изменчивы и, таким образом, представляют больше материала для отбора. Они могут менять степень своего сродства к тем или иным ТФ, подстраивая системы организма к меняющимся условиям.

По-видимому, теневые энхансеры появляются в результате дупликаций некодирующих участков генома. Дублирование регуляторных участков ДНК позволяет «избыточным» участкам свободнее накапливать мутации — точно так же, как это происходит при дупликации целых генов. Бессмысленные мутации в дубликате не нарушат экспрессию подконтрольного гена, так как его нормальное функционирование поддерживается основными энхансерами. Полезные мутации при этом могут стать запасным вариантом или начать работать в нестабильных или новых условиях. По мнению Левина и его коллег, появление новой копии регуляторного участка может стать первым этапом формирования нового адаптивного признака или нового вида ( Hong et al., 2008 ).

Поиск и выявление функций энхансеров требует применения самых «навороченных» молекулярных технологий и колоссальных усилий со стороны исследователей. Пока это очень сложный путь со множеством препятствий, но он помогает понять реальную роль регуляторных последовательностей в онтогенезе и эволюции.

Дальнейшие исследования подтвердили, что теневые энхансеры только кажутся избыточными. На самом деле (как читатели, конечно, уже догадались) они нужны для того, чтобы сделать развитие более помехоустойчивым.

Теневой энхансер обычно срабатывает (т. е. включает свой ген) в тех же клетках эмбриона и в то же время, что и основной энхансер. Такое дублирование генной регуляции, как мы уже знаем, способствует эволюционным преобразованиям. Впрочем, существование теневых энхансеров нельзя объяснить только тем, что они дают больше свободы для эволюционных изменений. Естественный отбор не умеет заглядывать в столь отдаленное будущее. Теневые энхансеры должны выполнять какую-то полезную функцию здесь и сейчас, иначе они бы разрушились под грузом мутаций и не встречались бы с таким постоянством около генов — регуляторов онтогенеза.

Выяснить эту функцию удалось американским и французским генетикам в ходе изучения гена svb ( shavenbaby ), который управляет формированием щетинок у личинки дрозофилы ( Frankel et al., 2010 ). Название гена, означающее в переводе «бритый младенец», показывает, что происходит, если ген выходит из строя. Регуляторная область гена svb принимает «входные сигналы» от нескольких генно-регуляторных каскадов. В результате совместного действия нескольких ТФ, связывающихся с расположенными в этой области сайтами связывания, ген svb включается в тех клетках эмбрионального эпидермиса, которые должны дать начало щетинкам.

В некодирующей области длиной в 50 тыс. пар нуклеотидов перед геном svb расположены три энхансера: 7, E и A. Их работа была изучена ранее (о методах поиска энхансеров мы говорили в главе 5 в разделе «Загадка узорчатых крыльев»). Совместное действие энхансеров 7, E и A полностью объясняет распределение областей экспрессии svb в эпидермисе эмбриона: ген включается там, где срабатывает хотя бы один из трех энхансеров.

Казалось бы, ген svb не нуждается ни в каких дополнительных регуляторах, кроме энхансеров 7, E и A. Однако ученые обнаружили, что у него есть два теневых энхансера, расположенных на большем удалении от кодирующей части гена. Эти энхансеры получили название DG2 и Z. Функция новооткрытых энхансеров полностью перекрывается с функцией трех регуляторных элементов, известных ранее (см. рисунок).