Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 10-7.Расположение двух совместно реагирующих наборов генов, кодирующих белки хориона. Показаны два клона, несущие собранные в кластеры гены белков хориона шелкопряда. Гены 18 и 401 кодируют два различных белка, синтезируемые на поздней стадии сборки хориона, а гены 10 и 292 - еще два разных белка, синтезируемые в середине Периода сборки хориона. Транскрипция этих спаренных генов, разделенных коротким 5'-спейсером (белые участки), происходит в противоположных направлениях. В каждом гене есть небольшая 5'-кодирующая последовательность (черные участки), за которой следует большой интрон (пунктир). Повторяющиеся гены и окружающие их последовательности образуют кластеры. Штриховкой показаны отдельные спейсерные участки, положение которых в спейсерах варьирует (Jones, Kafatos, 1980).

В процессе эволюции строение хориона у близких видов шелкопрядов претерпело разнообразные изменения. Примером служат хорионы Anthemea polyphemus и A. pernyi (рис. 10-8). Эти виды дивергировали, возможно, еще 10-30 млн. лет назад; эта оценка, однако, несколько сомнительна ввиду недостатка палеонтологических данных по этим крупным бабочкам, что, впрочем, неудивительно. Возникло ли изменение морфологии хориона в результате изменения самих структурных генов, кодирующих белки хориона, или изменения в регуляции их экспрессии? Эксперименты, проведенные недавно в лаборатории Кафатоса, показали, что эти гены действительно изменились, но в ограниченных пределах. Морфологические различия отражают главным образом различия в генной экспрессии. Относительные сроки экспрессии генов хориона у обоих видов Antheraea оказались одинаковыми, что особенно интересно, учитывая, какое большое значение имеют относительные сроки наступления различных процессов для изменений развития в ходе эволюции. Различия в экспрессии генов хориона носят количественный характер, выражаясь в резких различиях количеств некоторых мРНК хориона.

Рис. 10-8.Поверхность хориона у яиц двух видов Antheraea. А. Поверхность хориона A. polyphemus. Микропиле находится в центре расширения на темной полосе, опоясывающей яйцо. Две широкие белые полосы образованы аэропилярными структурами. Широкие участки по обе стороны от них лишены этих структур. Б. Поверхность хориона A. pernyi, целиком покрытая аэропилярными структурами (Подробные описания структуры хориона см. Kafatos et al., 1977, и Regier et al., 1980; фотографии любезно предоставлены G. Mazur и F. С. Kafatos)

У генов, кодирующих белки хориона, возникают мутации, помогающие выявить функции этих переключающихся генов в морфогенезе. Белки хориона у Drosophila melanogaster кодируются гораздо менее многочисленным семейством генов, чем у шелкопрядов, - в него входит, вероятно, всего 20 генов. Мутация одного из этих генов, недавно рассмотренная Дайган (Digan) и ее сотрудниками, приводит к нарушению морфологии хориона, указывая на то, что по крайней мере один из белков хориона играет какую-то роль в организации его структуры.

Гены, кодирующие белки хориона, в сущности, вновь вернули нас к вопросу о числе генов, который рассматривался в предыдущих разделах этой главы. Многочисленность генов, участвующих в сборке одного только хориона, и их сложные переключения позволяют думать, что для многих морфогенетических процессов развития необходима экспрессия большого числа близких генов. Справедливость такого предположения подтверждается примерами гистонов, тубулинов, актинов и других белков, синтезируемых зародышами. После того как эти белки, прежде считавшиеся продуктами одного или самое большее нескольких генов, были изучены более подробно, стало очевидно, что их появление в процессе развития на самом деле обеспечивается целыми семействами структурно близких и функционально координированных генов.

Для развития необходима экспрессия большого числа структурных генов. Многие регулируемые в процессе развития структурные гены принадлежат к семействам эволюционно близких генов, возникшим от одного предкового гена путем дупликации и дивергенции. Близкие многочисленные гены создают возможность для тонкой настройки экспрессии структурных генов, с тем чтобы отдельные гены экспрессировались в течение строго определенных периодов развития или в определенных группах клеток. Так, например, все β-глобины выполняют в общем, в зародыше и во взрослом организме, одну и ту же функцию, но делают это несколько разными способами и с различной эффективностью. Мультигенные семейства наделяют организмы эволюционной пластичностью, так что изменение сроков или места экспрессии одного из членов такого семейства не влияет на экспрессию других его членов. Возможно, что таким образом облегчается диссоциация процессов развития в эволюции.

Положение Моргана о зависимости между числом генов и сложностью организмов было опубликовано в 1932 г. Позднее, после того как следующим поколением исследователей было установлено, что гены состоят из ДНК, стало возможным получить гораздо более ясное представление о природе генов, однако достигнутые успехи еще больше запутали вопрос о зависимости между числом генов и сложностью организма. В целом измерение количества ДНК, содержащегося в гаплоидном геноме (значение С) у большого числа самых разнообразных организмов, указывает на повышение содержания ДНК с увеличением сложности, однако величина генома варьирует так сильно, что у многих морфологически примитивных организмов геномы оказались значительно больше, чем у морфологически более продвинутых форм. Это явление, получившее название парадокса значений С, или С-парадокса, иллюстрирует рис. 11-1.

Любая схема, подобная рис. 11-1, опасна тем, что ее можно принять за своего рода лестницу живых существ, созданную в XX веке, и в известном смысле так оно и есть. Прямое сравнение относительной сложности форм, обладающих различной морфологической организацией, неизбежно будет субъективным. Есть, однако, два показателя сложности, которые могут служить приближенными мерами: это число типов клеток, различаемых у представителей данной группы организмов, и число терминов, используемых систематиками для их описания. Теоретическое оправдание использованию числа типов клеток дал С. Кауфман (S. Kauffman), выдвинувший положение о том, что число дифференцированных клеточных типов в организме зависит от числа стабильных состояний, создаваемых в результате регуляторных взаимодействий, возможных в пределах того или иного генома. Оценить число клеточных типов у сравнительно несложных организмов относительно просто. Так, у бактерий имеются клетки двух типов (вегетативные клетки и споры), у дрожжей - 3-4 типов, у водорослей и грибов - примерно 5 типов, у губок - 11, у кишечнополостных - 14-20, у растений - от 20 до 40, у кольчецов - примерно 55. Для более высокоорганизованных животных получить такие оценки труднее; возможно, что оценка Кауфмана, считающего, что в организме человека содержатся клетки 100 разных типов, занижена на целый порядок.