Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

В процессе развития курицы эти три почки последовательно сменяют друг друга. Пронефрос появляется на второй день развития, и его канальцы никогда не становятся функциональными. Однако проток пронефроса, из которого образуется вольфов проток, имеет важное значение для дальнейшей дифференцировки почки. Как показано на рис. 6-9, вольфов проток индуцирует развитие части репродуктивной системы, мюллерова канала, а также канальцев мезо- и метанефроса. Мезонефрос начинает функционировать примерно на 4-й день развития куриного зародыша, а к 14-му дню достигает максимальной активности. Затем он дегенерирует. Его функции принимает на себя метанефрос, который начинает функционировать на 11-й день. Если молекулярная рекапитуляция протекала бы в этой системе в соответствии с морфологической рекапитуляцией, то мезонефрос должен был выделять мочевину, а не мочевую кислоту.

Рис. 6-9.Схема развития куриной почки. Нефункционирующие канальцы пронефроса (на схеме не показаны) появляются на второй день развития. Развитие почки продолжается, когда примерно на 4-й день появляется функционирующий мезонефрос, а примерно на 11-й день-постоянная почка (метанефрос). Вольфов проток возникает как проток пронефроса. Он необходим для индукции развития почечных канальцев и роста мюллерова канала. Как схематически показано на правой стороне рисунка, если разрушить вольфов проток, то образования этих других структур не происходит (Gruenwald, 1952).

Второй возможный тип молекулярной рекапитуляции Цуккеркандль (Zucherkandl) сформулировал следующим образом: « Не являются ли полипептидные цепи, функционирующие в зародыше, эволюционно более древними, чем полипептидные цепи взрослого организма? » Имеются данные, позволяющие проверить, существует ли рекапитуляция такого типа. Цуккеркандль создал очень простой тест для проверки этого явления. Основываясь на гемоглобинах, для которых последовательность аминокислот установить легко, Цуккеркандль предположил, что достаточно лишь сравнить последовательности гемоглобина плода и гемоглобина взрослого типа с общей для них предковой последовательностью. Если глобин плода рекапитулируется, то он должен дивергировать от предковой последовательности меньше, чем соответствующий глобин взрослого типа. Поскольку у β-глобинов (включая фетальную γ-цепь) и α-глобинов человека имеется общая предковая последовательность, можно проводить прямые сравнения последовательностей β- и α-глобинов и γ- и α-глобинов человека (рис. 6-10). Оба отличаются от α-последовательности примерно по 55 замещениям. Таким образом, между скоростями эволюции β-и γ-цепей нет разницы. У коровы обнаружена такая же степень сходства между «γ»- и β-цепями и α-глобином, причем «γ»-цепь коровы даже ближе к β-цепи, чем к γ-цепи человека.

Рис. 6-10.Эволюционное древо генов человека, определяющих β-подобные глобины. Дивергенция между генами α- и β-глобинов произошла примерно 500·10 6лет назад. Эфстратиадис и др. предполагают, что дивергенция гена β-глобина взрослого типа от предкового гена эмбрионального глобина произошла в ранний период эволюции млекопитающих от звероподобных рептилий, а дивергенция гена эмбрионального ε-глобина от генов эмбриональной цепи - в начале радиации плацентарных млекопитающих (Efstratiadis et al., 1980).

Цуккеркандль не только не подтвердил наличия рекапитуляции в последовательности γ-цепи фетального гемоглобина, но и упорно настаивает, что γ-цепь гемоглобина человека возникла сравнительно недавно. Он приводит следующие доводы: судя по скорости замены аминокислот, типичной для глобинов, и по различиям в последовательностях γ- и β-цепей, общий предок γ- и β-цепей человека не может быть старше примерно 200 млн. лет, или, грубо говоря, относится к концу триаса. Примитивные млекопитающие того времени происходят от рептилий, происхождение которых можно проследить еще на 100 млн. лет назад, а затем еще на 150 млн. лет назад, до древней формы, послужившей предком всех позвоночных. Эмбриональные гемоглобины имеются у рептилий, амфибий и рыб, и вполне вероятно, что они имелись и у их предков. У форм, составлявших эволюционную линию, ведущую к человеку, эмбриональные гемоглобины имелись задолго до возникновения нынешней γ-цепи. Таким образом, фетальные «не-α-цепи», по-видимому, возникли в результате независимых генных дупликаций и сменяли одна другую в процессе эволюции гемоглобина.

Если морфология представляет собой проявление сложного комплекса процессов развития, то эти процессы в свою очередь представляют собой проявление действия целого созвездия генов. Таково важное допущение, положенное в основу этой книги, и мы собрали по крайней мере prima facie данные в пользу того, что у Metazoa часть генома специфически участвует в регуляции онтогенеза и что характер эволюции этой части отличается от характера эволюции структурных генов. До сих пор, однако, мы ограничивались изолированными частными примерами генного контроля морфогенеза и не пытались ответить на центральный вопрос: каким образом гены определяют процесс развития?

Здесь мы в весьма прямом смысле возвращаемся к программе механики развития, выдвинутой Ру (Roux), однако, вместо того чтобы удалять клетки или другие структуры зародыша, с тем чтобы определить их роли в развитии, как это делали представители классической экспериментальной эмбриологии, генетика развития использует мутации как очень тонкий скальпель, дающий возможность уничтожать или изменять отдельные гены.

Генетическая модель, с помощью которой можно изучать любую систему, теоретически находящуюся под генетическим контролем, состоит в следующем. Для того чтобы проанализировать какой-либо процесс, в данном случае онтогенез, исследователь выявляет мутации, изменяющие этот процесс. Выявив такие мутации, он проводит фенотипическое сравнение мутантных особей с нормальными. Это сравнение помогает ему понять, как данный ген влияет на нормальное развитие. Однако, прежде чем продолжить описание метода проведения такого сравнения, следует указать, что воздействие мутаций на онтогенез проявляется двумя основными способами. Это, во-первых, дизруптивные изменения, при которых процесс нормального развития нарушается, что приводит к морфологическим аномалиям (например, к отсутствию некоторых структур). В наиболее резко выраженной форме такие мутации оказываются летальными. Во-вторых, это гомеозисные изменения, при которых под действием мутации развитие отклоняется от нормы, в результате чего какая-либо структура данного организма замещается гомологичным органом или конечностью. Мы отложим дальнейшее обсуждение мутаций этого второго типа до следующей главы и займемся здесь главным образом дизруптивными изменениями.