Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция
Среди всех способов изменения онтогенеза в процессе эволюции наибольшее внимание уделяется изменениям сроков. Зародышевое развитие связано с широким разнообразием перемещений и структурных усложнений во времени.
Этот процесс носит характер неизбежности, напоминая исполнение хорошо отрепетированной программы, в которой все события сменяют друг друга в точно установленные сроки. Такое сравнение в большинстве случаев допустимо, однако известны многочисленные случаи диссоциации во времени одного онтогенетического процесса от другого, и, как показывает обширный ряд эволюционных примеров, гетерохрония действительно представляет собой обычный фактор эволюции. Этому есть веская причина - необходимость сохранения интегрированной программы развития. Гетерохрония обычно приводит к неразрушительным модификациям данного пути развития. Существующие интегрированные процессы лишь сдвигаются друг относительно друга, но общая функциональная интегрированность сохраняется. В результате зрелый в репродуктивном отношении организм с личиночной морфологией сохраняет комплекс адаптации к среде и способное функционировать строение тела. Другие более тонкие гетерохронии компенсируются имеющимися системами морфогенетического гомеостаза. Если такой процесс, как рост, инициируется несколько раньше или позже, чем в норме, он может в конечном итоге привести к изменению относительных пропорций каких-либо двух структур, однако если это изменение не нарушает некого необходимого взаимодействия с какой-нибудь третьей тканью, то уже установившиеся морфогенетические процессы будут иметь место. К модификации пропорций, происходящей на относительно поздних стадиях развития, организм может легко приспособиться, если она окажется селективно выгодной в тех условиях среды, в которых обитает данное животное.
Несмотря на то что было идентифицировано лишь несколько мутаций, воздействующих на сроки наступления различных событий, исследований, пытающихся выяснить генетическую основу временных регуляторов развития, проводится удивительно мало. Отсутствие знаний по этой проблеме - лишь часть более крупного пробела в биологии, охватывающего широкий диапазон явлений, связанных со сроками, - от регуляции во времени синтеза ДНК в клетках до регуляции суточных ритмов у животных. Небольшое число выявленных до сих пор мутаций, которые изменяют сроки различных событий, происходящих в процессе развития, позволяют считать, что существуют отдельные гены, специфически регулирующие эти сроки. Некоторые из них, такие как гены, от которых зависит, пойдет ли развитие личинки аксолотля по пути метаморфоза или неотении, по-видимому, аналогичны обсуждавшимся ранее дизруптивным мутациям. У аксолотля неотения представляет собой результат недостаточного образования тироксина и вытекающих из этого последствий для всех тканей. Другие гены привлекают к себе внимание тем, что они обладают свойствами специфичных переключателей. К этому классу принадлежит, возможно, мутация anemic аксолотля, задерживающая начало синтеза глобина взрослого типа. Идентифицированы генетические элементы, контролирующие сроки экспрессии ферментов в онтогенезе нескольких организмов. Эти элементы, которые К. Пейджен (К. Paigen) назвал «временнЫми генами», тесно сцеплены со структурными генами, которые они контролируют, и активны в цис-положении.
В настоящее время наиболее доступны для изучения гены гетерохронии, действующие на переключатели, которые определяют направление развития клеточных линий у нематоды С. elegans. Шалфи (Chalfie) и его сотрудники проанализировали первый из них - мутантный аллель lin-4, вызывающий в клеточных линиях повторение, в результате чего эти линии не могут обеспечить образование дефинитивных клеток, характерных для взрослого организма. Вместо этого вновь и вновь образуются клетки, характерные для личинок первого возраста. Таким образом, в отличие от нематоды дикого типа, проходящей в своем развитии через ряд стадий
зародыш → L1 → L2 → L3 → L4 → взрослый червь,
у мутантов lin-4 наблюдается крайне аномальная последовательность личиночных клеточных линий
зародыш → L1 → L1 → L1 → L1 → L1 .
To есть вместо обычной смены личиночных стадий у них повторяется стадия L1. Аллель lin-4 действует только на эктодермальные линии, не затрагивая многие другие соматические линии и развитие гонад, так что после последней линьки у личинки имеется половозрелая гонада. На каждой личиночной стадии кутикула обладает характерной, специфичной для данной стадии морфологией и белковым составом. Согласно Коксу, Стапрансу и Эдгару (Сох, Staprans, Edgar), существует, по-видимому, до 30 различных коллагеноподобных белков, экспрессирующихся на разных стадиях на протяжении личиночного развития. Кутикула реитеративного мутанта lin-4 сходна по своей морфологии с кутикулой нормальной личинки стадии L2 и имеет соответствующий белковый состав. Этого и следовало ожидать, потому что одна из функций нормальной личинки стадии L1 состоит в том, чтобы при первой линьке образовать кутикулу для личинки L2.
Второй сходный, но иной ген в настоящее время изучают Амброс и Хорвитц (Ambros, Horvitz). Некоторые мутантные аллели в этом локусе обусловливают выпадение делений, характерных для клеточных линий в течение стадии L1, что приводит к ускорению морфологического развития. Переходы из одной личиночной стадии в другую у С. elegans, возможно, соответствуют метаморфозам, главным переходным стадиям, на которых происходят существенные переключения. Хорвитц, Стенберг и Амброс, а также Эдгар считают, что эти стадии можно рассматривать как «временные компартменты», аналогичные пространственным компартментам дрозофилы, обнаруживаемым частично благодаря функциям генов-переключателей Antennapedia и bithorax. Таким образом временные переключатели, возможно, имеются у С. elegans.
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.
