Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

В настоящее время представляется наиболее вероятным, что гены, входящие в комплексы ВХ-С и ANT-C, обеспечивают расшифровку позиционной информации. Механизм, с помощью которого может происходить расшифровка этой информации, подробно описал Гарсиа-Беллидо. Согласно его гипотезе, гомеозисные локусы, особенно входящие в комплекс ВХ-С, действуют как селекторы или переключатели. Позиционная информация, специфицированная во время оогенеза и уточненная в течение эмбриогенеза, активирует или инактивирует эти локусы в определенной последовательности. В активном состоянии гомеозисные гены вырабатывают продукты, которые избирательно активируют или подавляют батареи других генов. В каждом отдельном сегменте активность как гомеозисных генов, так и тех генов, которые, они в свою очередь регулируют, носит особый характер, свойственный только данному сегменту. Льюис (Е. Lewis) предложил модель, в которой активация комплекса ВХ-С поляризована в хромосоме в проксимально-дистальном направлении; т.е. гены комплекса ВХ-С активируются в определенной последовательности, соответствующей последовательности тех сегментов, в которых они действуют, от переднего конца зародыша к заднему.

Далее Льюис полагает, что проксимально-дистальному порядку расположения локусов в данном комплексе соответствует градиент связывания репрессора, идущий вдоль хромосомы. Чем ближе к переднему концу зародыша лежит данный сегмент, тем выше концентрация репрессора, а следовательно, меньше число активных генов. Результаты недавних анализов локуса Pc (Polycomb), проведенного Льюисом, и локуса esc (extra sex combs), проведенного Стралем (Struhl), служат некоторым подтверждением этой модели активации комплекса ВХ-С. Обе эти мутации вызывают превращение второй и третьей пары грудных ног в первую пару. Это хорошо видно на самцах, у которых половые гребешки имеются на всех трех парах ног - фенотип, сходный с возникающим при некоторых мутациях в локусе Antp. Однако зародыши, несущие летальные аллели в любом из этих двух локусов, фенотипически резко отличаются от мутантов Antp. Все грудные сегменты и брюшные сегменты 1-7 превращены у них в восьмые брюшные сегменты. Эти данные в сочетании с тем фактом, что эффект как мутации Рс , так и мутации esc зависит от числа копий комплекса ВХ-С (т.е. чем больше число имеющихся в наличии генов ВХ-С, тем сильнее выражена трансформация всего зародыша в восьмой брюшной сегмент), позволяют предположить, что продукты генов Ру + и esc могут служить репрессорами комплекса ВХ-С.

Изучение таких локусов, как Рс и esc, а также мутаций в gap- и pair-rule -локусах, показывает, что индивидуализация сегментов регулируется по крайней мере на двух отдельных уровнях. Прямая регуляция гомеозисных генов происходит на уровне транскрипции, но, для того чтобы дерепрессия гомеозисных генов могла проявиться в индивидуализации сегментов, должны совершиться события, определяющие общий план сегментации зародыша.

Модель, представленная на рис. 9-8, удивительно хорошо согласуется с теоретическими рассуждениями Кауфмана. Кауфман рассматривал процесс сегментации как ряд двоичных решении, последовательно подразделяющих яйцо на ряд участков и приписывающих тем самым определенные адреса разным частям зародыша (рис. 9-7). Согласно формальной модели Кауфмана, зародыш делится сначала на две части, затем на четыре, на восемь и т. д. Подобные представления, основанные на выявленных до настоящего времени мутантных фенотипах, слишком упрощают реальные события. Это не означает, однако, что мы отбрасываем самую основу модели Кауфмана, потому что, судя по всему, последовательное подразделение раннего зародыша в самом деле имеет место и это разделение интегрировано с функцией локусов, определяющих индивидуализацию сегментов.

При формальном применении модели можно допустить, что двоичный набор переключателей, подобно уоддингтоновскому эпигенетическому ландшафту, должен быть линейно-упорядоченным и зависимым, т. е. перевод переключателя в одно из двух возможных положений зависит от предшествующего события на этом пути. В некоторых случаях это действительно так и есть. Однако данное условие не является непременным. Известны примеры, когда функции генов, регулирующих фундаментальные морфогенетические события, разобщены. Это было проиллюстрировано в гл. 5 на примере разобщенности процессов морфогенеза и клеточной дифференцировки в развивающейся поджелудочной железе. То же самое относится к сегментации зародыша дрозофилы. Несмотря на то что гены, контролирующие число и индивидуальные особенности сегментов, пространственно интегрированы, у мутантных особей эти две функции могут быть разобщены; т. е. действие gap -локусов не зависит от действия гомеозисных локусов, точно так же как гомеозисные локусы не нуждаются в активности gap- локусов. Именно эта разобщенность или диссоциация и допускает «мелкие переделки» онтогенетического развития в процессе эволюции. Это ясно видно в эволюции насекомых (см. гл. 8). Наблюдаемые у них изменения затрагивают индивидуальные особенности сегментов, но не их число.

В регуляции развития со стороны генома есть еще один важный аспект. Фенотипы не строго детерминированы единой генетической программой. На морфологии сказываются также негенетические влияния среды, хотя, как это подробно рассматривает Уоддингтон, возможный диапазон фенотипических реакций детерминирован характером генетической программы. И в самом деле, выбор из альтернативных фенотипов представляет собой почти постоянный элемент любого онтогенеза. Фенотипическая пластичность - очень обширная и сложная тема; поэтому мы ограничимся здесь проблемой выбора между альтернативными фенотипами, что составляет часть программы развития вида и служит основой для эволюционных изменений, в чем можно убедиться на некоторых классических примерах гетерохронии. К числу явлений, в которых участвует запрограммированный выбор между фенотипами, относятся половой диморфизм, различие в морфологии личинок и взрослых особей и альтернативные типы морфологии взрослых особей, такие как определяемая условиями среды неотения у амфибий или различные касты у общественных насекомых, обусловленные гормонально. Во всех этих случаях выбор одной из альтернативных программ морфологического развития из всего репертуара возможностей данного генома производят переключатели.

Потенции генома не ограничиваются созданием одной неизменной морфологии; в этом можно убедиться на прекрасном и ярком примере разнообразия каст у термита Amitermes atlanticus. Как у большинства общественных насекомых, семья этих термитов основывается царицей, или маткой, после ее брачного полета. Рожденные царицей потомки образуют популяцию термитов данной колонии. В своей книге «Обитающие во тьме» Скайфе (Skaife) описал различные касты, которые можно обнаружить в зрелой колонии этих организмов: рабочие, солдаты, царицы (или матки) и самки-заменительницы. Представители всех этих каст изображены на рис. 9-9. Как можно видеть на этом рисунке (внизу), особи, относящиеся к разным кастам, сильно различаются по своей морфологии. Глаза и крылья имеются только у половых особей, тогда как рабочие и солдаты слепые и бескрылые. Солдаты отличаются от рабочих и половых особей крупной головой и мощными челюстями. Когда представители всех этих каст вылупляются из яиц, никаких различий между ними заметить нельзя. Следует также помнить, что все члены данной колонии - родные братья и сестры. Примерно в середине периода роста между развивающимися термитами начинают появляться морфологические различия, зависящие от их будущей касты. Вряд ли можно предположить, что эти различия обусловлены генетически, потому что молодые семьи состоят из одних только рабочих, а по мере созревания семьи в ней появляются сначала солдаты, а затем разные категории половых особей. Кроме того, в зрелой семье наблюдаются сезонные колебания числа и категорий половых особей. Таким образом, создается впечатление, что в группе организмов, приходящихся друг другу братьями и сестрами, т.е. имеющих один и тот же генотип, могут возникнуть довольно разнообразные фенотипы, причем все эти фенотипы принадлежат функционально интегрированным организмам.