Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

Последняя и крайне существенная характеристика органической эволюции состоит в том, что морфогенез, по-видимому, управляется относительно небольшим числом регуляторных генов. У Drosophila melanogaster - наиболее хорошо изученной генетической системы среди Metazoa - общее число генов достигает примерно 5000. Значительная доля этих генов необходима для развития, но только для небольшой их части установлено, что они необходимы для принятия решений при выборе направления морфогенеза. Эта тема неоднократно возникала в нашей книге при рассмотрении отдельных примеров. Всего лишь 10 генов должны были измениться, чтобы возникли значительные различия в морфологии головы, наблюдаемые между гавайскими дрозофилидами D. heteroneura и D. silvestris (см. рис. 3-8). Неясно, в чем заключается действие именно этих морфогенетических генов; вероятнее всего, они влияют на весьма разнообразные процессы, в том числе на спецификацию позиционной информации, сроки развития и индукционные события. Для того чтобы выявить природу модификаций, происходящих в программе развития, необходимо провести подробный анализ развития. Возможно, что эти 10 генов составляют лишь небольшую долю генов, участвующих в морфогенезе головы, - ту их долю, которая участвует в каком-то частном эволюционном изменении. Тем не менее это небольшое число соответствует результатам других исследований, на основании которых выводилось число регуляторных генов.

Наилучшими примерами генов, контролирующих морфогенез, служат гены, регулирующие положение, число и индивидуальность головных, грудных и туловищных сегментов у дрозофилы. Гены, определяющие сегментарное строение, можно разделить на два больших класса: гены, которые активны во время оогенеза и создают в яйце позиционную информацию, и гены, которые активны во время эмбриогенеза и участвуют в интерпретации позиционной информации. Лишь два гена, участвующие в установлении позиционной информации, хорошо изучены. Существование этих генов было выявлено благодаря двум мутациям с материнским эффектом, - bicaudal и dorsal, изученным Нюсслейн-Фольгардом (Nusslein-Volhard). Были открыты также другие гены с материнским эффектом и аналогичными функциями. Согласно Вишаузу (Wieschaus), частота обнаружения таких мутаций указывает, что общее число этих генов, вероятно, не намного выше 20.

Существуют два подкласса генов, активных во время эмбриогенеза, которые можно выявить по их мутациям, нарушающим сегментацию. Считается, что члены первого подкласса кодируют продукты, функция которых состоит в интерпретации получаемой от материнского организма позиционной информации, необходимой для детерминирования местоположения сегментов и их числа. В то же время члены второго подкласса интерпретируют позиционную информацию, необходимую для детерминирования индивидуальности (т.е. специфических особенностей) каждого сегмента. В результате проведенных Нюсслейн-Фольгардом и Вишаузом систематических поисков было обнаружено 15 разбросанных по геному мутантных локусов, которые обусловливают отклонения в числе сегментов и их полярности. Позднее было выявлено еще семь таких генов. Мутантные аллели распадаются на три обособленные категории: гены, оказывающие влияние на большой участок зародыша; гены, влияющие на пары сегментов; гены, влияющие на отдельные сегменты. Возможно, что существование этих категорий указывает на постепенность в установлении сегментации, а, судя по числу выявленных мутантов, 22 обнаруженных гена составляют преобладающее большинство генов этого типа.

Интерпретация позиционной информации, необходимая для детерминирования индивидуальности сегментов, связана с функционированием генов Рс (Polycomb) и esc (extra sex comb), которые, как указывают Льюис и Штруль (Lewis, Struhl), служат регуляторами комплексов Antennapedia и Bithorax. Примерно 15 генов, входящих в эти два комплекса, экспрессируются в течение зародышевого развития и детерминируют индивидуальные особенности отдельных сегментов и последующую морфологическую дифференцировку каждого из них. Таким образом, примерно 50-60 генов, активных во время оогенеза и зародышевого развития, достаточно для создания основной морфогенетической программы сегментации. Нет сомнений, что на последующих стадиях морфогенеза функционирует ряд других генов. Однако представляется вероятным, что, хотя для всей совокупности подпрограмм, определяющих морфогенез структур в пределах одного сегмента, может понадобиться большое число генов, для каждой отдельной структуры, возможно, требуется лишь несколько основных команд. Это заключение еще нуждается в подтверждении; однако в пользу того, что для каждой отдельной подпрограммы достаточно наличия ограниченного числа переключателей, свидетельствуют данные об участии в детерминировании числа пальцев на лапах морской свинки всего лишь четырех генов.

Все это имеет глубокие последствия для эволюции. В онтогенезе принимают участие многочисленные гены, экспрессирующиеся в целом комплексе очень стабильных процессов. У дрозофилы примерно треть общего числа генов, поддающихся выявлению, экспрессируется специфичным для развития образом и необходима для успешного завершения определенных стадий развития. Тем не менее число переключателей невелико и изменения в переключаемых функциях могут оказывать глубокое влияние на морфогенез. Важно отметить, однако, что эволюция - процесс многоступенчатый. Главное значение изменений генов, несущих регуляторные функции, состоит, возможно, в создании изменений онтогенеза, которые затем служат сырьем для дальнейших изменений в каком-либо новом направлении. Дальнейшее изменение и консолидация этого нового направления происходят путем возникновения мутаций в генах, модифицирующих главный регуляторный ген. В процессе всех этих эволюционных переходных стадий морфогенеза могут сохраняться канализация и интеграция.

В своем анализе переворотов в науке Томас Кун (Thomas Kuhn) высказал мнение, что главная отличительная черта этих переворотов - изменение взгляда на мир, или то, что Кун называл парадигмой. Наблюдения, которые прежде было трудно истолковать, укладываются теперь в рамки связной теории, способной делать предсказания и давать объяснения. Биология пережила свою долю переворотов, в том числе тот из них, который вызвала дарвиновская теория эволюции, оказавшая в разных формах самое глубокое влияние не только на биологию, но и на общество в широком смысле. Один из крупных недавних переворотов произошел в 1961 г., когда Франсуа Жакоб и Жак Моно (Francois Jacob, Jaques Monod) опубликовали свою модель оперона, контролирующего экспрессию генов у бактерий. Эта модель позволила связать экспрессию структурных генов с контролирующей активностью некоего белка, кодируемого регуляторным геном, локализованным в каком-то другом участке генома; она позволила также объяснить, каким образом проникающие в клетку малые молекулы могут взаимодействовать с регуляторным белком, координируя экспрессию структурных генов, участвующих в отдельных метаболических процессах. Модель оперона положила начало периоду увлекательных и плодотворных исследований генной регуляции у бактерий. Не удивительно, что успешность предсказаний, сделанных с помощью этой модели, и ее огромная эвристическая ценность неизбежно привели к ее приложению к организации геномов Metazoa. После того как геномы Metazoa были лучше изучены, первоначальные оптимистические попытки непосредственного приложения к ним модели оперона пришлось признать наивными. Тем не менее от этих попыток осталось некое наследство в виде концепции о регуляции экспрессии структурного гена продуктами удаленных от него регуляторных элементов, которые взаимодействуют с регуляторным сайтом, примыкающим к этому структурному гену. Как и у прокариот, генная регуляция у Metazoa в значительной мере состоит, по-видимому, в регуляции структурных генов, необходимых для дифференцировки, поддержания существования и метаболизма клеток. В отличие от прокариот Metazoa образуют клетки многих разных типов, организованные в различные дискретные и стабильные ткани. Для регуляции экспрессии структурных генов в этих разных клетках или тканях необходима координированная экспрессия набора генов, специфичных для клеток каждого типа, а также экспрессия более обширного набора генов, активных в клетках многих или даже всех типов. Широко известная модель для такого рода цитоспецифичной координации регуляции генных комплексов была предложена Бриттеном и Дэвидсоном (Britten, Davidson) в 1969 г.; она схематически изображена на рис. 12-2. Интеграция обеспечивается в результате активации сенсорных последовательностей, реагирующих на воздействия извне, которым подвергается клетка (например, гормоны или индукционные сигналы от соседних клеток). Эти последовательности в свою очередь активируют особые гены-интеграторы, каждый из которых продуцирует молекулы специфичного активатора. Активаторы в свою очередь вступают во взаимодействие с соответствующими регуляторными последовательностями, примыкающими к структурным генам, и включают их, допуская их транскрипцию. Бриттен и Дэвидсон полагают, что активаторы - это транскрипторы умеренно повторяющихся последовательностей ДНК и что они непосредственно взаимодействуют, благодаря своей комплементарности с соответствующими повторяющимися последовательностями, действующими как примыкающие к генам контролирующие элементы. Очевидно, в этой формальной модели активаторами могут служить и белки.