Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция
Хинчлифф и Торогуд (Hinchliffe, Thorogood), проведя анализ мутации ta (talpid) у цыпленка, показали, что гибель клеток в процессе развития конечности действительно находится под генетическим контролем. Мутация ta наследуется как простой аутосомный рецессивный признак и в гомозиготном состоянии обусловливает костную полидактилию и синдактилию мягких тканей в крыле и ноге. Полидактилия возникает в результате слияния лучевой и локтевой костей и большой и малой берцовых костей. Образующиеся при этом конечности, особенно нога, широкие и веслообразные, и на них бывает по 6-7 пальцев вместо четырех нормальных (рис. 7-16). Для развития этих конечностей характерно почти полное отсутствие гибели клеток. Ширина мутантной лапы объясняется отсутствием передней и задней некротических зон, поскольку при этом не происходит определения контуров, которые у нормальных особей сужают эту часть конечности. Слияние костей предплечья или голени - результат отсутствия темного пятна. Это несостоявшееся разделение костей может быть также результатом расширения дистальных частей конечности и кажущейся зеркальной симметрии ее строения (рис. 7-16). Кроме того, у мутантов отсутствуют межпальцевые некротические зоны, имеющиеся в нормально развивающейся конечности, и в дальнейшем пальцы у них не отделяются друг от друга. Интересно отметить, что синдактилию сходного типа наблюдал Джонсон (Johnson) у мутантных мышей polysyndactylous, но без костной полидактилии. Остается еще установить, оказывает ли мутация talpid воздействие на «часы смерти» или же она дает возможность «спасающему фактору», продуцируемому дорсальной мезодермой, достигнуть обреченных на гибель клеток. Какой бы ни была непосредственная причина, ясно, что процесс некроза клеток регулируется генетически и что в создании дефинитивной морфологии конечности позвоночных гибель клеток играет важную роль. В связи с этим последним моментом следует указать, как это делают Хинчлифф и Торогуд, что простые раздвоенные структуры, наблюдаемые в конечностях мутантов talpid, напоминают по своему характеру элементы, имеющиеся в плавниках древних кистеперых рыб, таких как Eusthenopteron и Sauripterus. Возможно, поэтому, что сложный тип развития конечностей, обнаруженный у высших четвероногих позвоночных, мог возникнуть в результате процесса клеточного некроза, регулируемого и моделируемого генетически.
Существуют также мутации, расширяющие зоны некроза. Такие мутации дрозофилы, как Bar (полосчатые глаза) или vestigial (зачаточные крылья), сильно уменьшающие глаза или крылья, действуют путем увеличения участков гибели клеток, наличие которых составляет один из элементов нормального развития этих двух структур. Мутации wingless и rumpless у кур действуют, по-видимому, при помощи сходного механизма, создающего возможность для увеличения зоны некроза. Можно представить себе, что изменения этого типа (в менее резко выраженной форме) играют важную роль в редукции или элиминации структур, необходимых на одной стадии развития, но ненужных на более поздней стадии. Простым примером служит хвост у головастиков лягушек. В этом случае, как и в случае мутаций, подавляющих гибель клеток, существуют два возможных уровня регуляции процесса элиминации хвоста: внутренние часы смерти могут активизироваться в большем числе клеток или же внешние факторы, такие например как способное к диффузии защитное вещество, содержащееся в дорсальной мезодерме крыла, могут быть элиминированы.
Гены, вступающие в действие на более поздних стадиях развития и в процессе роста
Ясно, что мутации генов, непосредственно определяющих морфогенетические пути, в особенности тех генов, которые действуют на ранних стадиях, могут вызывать чрезвычайно резкие изменения развития. Однако существуют также гены, действующие на более поздних стадиях, и, хотя эти гены оказывают влияние на общую морфологию данного организма, оно во многих случаях не влечет за собой явных вредных последствий. К таким генам относятся гены, контролирующие особенности роста организма после становления общей морфологии и органогенеза. Они были обнаружены по экспрессии мутаций, которые влияют на действие гормонов, что приводит к гигантизму или карликовости. Изменения формы (например, относительных размеров конечностей) могут быть результатом изменений характера роста, вызываемых плейотропными эффектами, сопровождающими основной гормональный эффект мутации. Изменения такого типа несомненно приводили к эволюционным изменениям (например, гигантизм у европейских пещерных медведей в плейстоцене или карликовость у слонов, обсуждавшихся в гл. 2), однако подобные поздние изменения развития не вызывали коренных перестроек морфологии. Несмотря ни на что, карликовый слон - это все-таки несомненно слон.
Известна, однако, одна мутация, изменяющая размеры организма, которая демонстрирует пластичность процесса развития и заслуживает поэтому особого внимания. Это - мутация gt (giant) у Drosophila melanogaster. Этот сцепленный с полом рецессивный признак был впервые обнаружен Бриджесом (Bridges) и Габерчевски (Gaberchevsky) в 1928 г. Весь процесс развития дрозофилы - от оплодотворения до достижения половозрелости - обычно занимает 10 дней. У мутантов gt этот процесс продолжается на 2-5 дней дольше. Образующиеся при этом особи морфологически не отличаются от обычных мух, но они вдвое крупнее. Способ возникновения этого изменения представляет значительный интерес. Развитие мух gt протекает нормально на протяжении всего эмбрионального периода и вплоть до приближения личинок к концу третьего возраста. Однако в тот момент, когда нормальные особи окукливаются и начинают метаморфоз, особи gt продолжают оставаться в личиночном состоянии. Именно на личиночных стадиях и в начале стадии куколки происходит пролиферация имагинальных дисков - клеток, предназначенных для формирования тканей взрослой мухи, а от числа этих клеток зависят размеры имаго. У личинок gt в течение этого растянутого периода личиночного развития, по-видимому, происходит по меньшей мере одно дополнительное клеточное деление. Об этом можно судить потому, что те клетки личинки, которые политенны (например, клетки слюнных желез), участвуют по крайней мере в одном, а иногда и в двух дополнительных циклах синтеза ДНК. Личинки gt после этого 2-5-дневного добавочного периода роста образуют куколку, которая примерно вдвое крупнее обычной. Затем происходит метаморфоз и после несколько удлиненной стадии куколки появляется на свет морфологически нормальная взрослая особь двойного размера. Следовательно, насекомое способно регулировать свое развитие, так что, несмотря на явную дополнительную пролиферацию, предшествующую дифференцировке, никаких дополнительных элементов (органов) не образуется. Мы уже сталкивались с такой пластичностью развития (см. гл. 4) в эволюции ранних событий онтогенеза у оболочников и низших хордовых. У этих организмов число и сроки делений дробления изменялись в зависимости от относительного значения личиночной стадии у разных видов.
Это привело к тому, что у разных видов доля массы раннего зародыша, участвующая в образовании специализированных личиночных органов, различна. Отсюда следует, что две совершенно различные морфогенетические системы способны согласованно произвести крупные изменения и создать вполне интегрированный организм.
К другим генам, действующим в конце развития, относятся гены, регулирующие распределение продуцируемых пигментов по поверхности тела и их количество; эффекты изменчивости этих генов совершенно очевидны в природных популяциях большинства организмов. Хотя такого рода изменения несомненно имеют важное значение для процессов отбора, а тем самым и для эволюции, они, вероятно, несущественны для морфологических изменений per se.
Наш основной принцип заключается в том, что онтогенез находится под контролем генов. Как было показано, этот контроль осуществляется на нескольких уровнях. С помощью мутаций, наследуемых по материнскому типу, можно продемонстрировать генетическую регуляцию организации яиц у таких видов, как дрозофила, у которой раннее развитие имеет мозаичный характер. Другие мутации, такие как tailless у мыши или cardiac и eyeless у аксолотля, указывают на существование генетического контроля, действующего на последующих стадиях развития, точно так же как для надлежащего функционирования каскадных онтогенетических событий, приводящих к дифференцировке основных зародышевых листков, необходима специфическая генетическая информация, а для органогенеза - соответствующие индукционные взаимодействия. Наконец, генетические изменения могут изменять события, происходящие на поздних стадиях развития, в том числе процессы роста и пигментацию, а тем самым и дефинитивную форму взрослого организма. Эволюционный процесс может отбирать изменения экспрессии генов, играющих важную роль в развитии, и создавать таким образом новые морфогенетические пути. Необходимо, однако, подчеркнуть различие между генами этого класса и природой мутаций (изменений экспрессии), важных для эволюционного изменения. Большая часть обсуждавшихся в этой главе мутаций обладает резко выраженными и гибельными эффектами. Их значение состоит в том, что они позволяют выявить генетические элементы, лежащие в основе некоторых процессов развития. В морфологической же эволюции, по всей вероятности, участвуют мутации, обладающие менее ясно выраженным эффектом. Все мутации, изменяющие сроки или продолжительность событий или силу взаимодействий, будут приводить к эволюционной модификации путей развития. Для становления структуры и для морфогенеза решающее значение имеют также гены и мутационные изменения совершенно иного типа. Им посвящены остальные главы.
