Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

На самом деле модуляция транскрипции зависит от регуляторных сайтов, расположенных на целых 200 пар нуклеотидов выше сайта инициации транскрипции. Бенуа и Шамбон обнаружили, что у вируса SV40 этот участок имеет сложную структуру. Он содержит пять блоков, богатых GC-последовательностями. Два из этих блоков включены в две тандемно повторяющиеся последовательности, состоящие из 72 пар нуклеотидов каждая и расположенные примерно на 150 пар нуклеотидов выше сайта начала транскрипции. Эксперименты, в которых эти тандемные последовательности удаляли из ДНК, показали, что они необходимы для транскрипции in vivo.

У гена, кодирующего гистон Н2А морского ежа Psammechinus miliaris, также имеются регуляторные последовательности, удаленные от сайта инициации. Участок гена Н2А, расположенный вверх от точки начала транскрипции (рис. 11-7), можно разделить на несколько различных функциональных участков. Участок С содержит сайт инициации. На расстоянии примерно 30 пар нуклеотидов от сайта инициации в участке В имеется ТАТА-блок. На расстоянии примерно 35 пар нуклеотидов от ТАТА-блока, находится участок А, содержащий последовательность из 30 нуклеотидов, несущую на каждом конце короткие инвертированные последовательности. Эта последовательность из 30 нуклеотидов специфична для гена Н2А и эволюционно консервативна. Участок Ε начинается с 110-й пары нуклеотидов выше сайта инициации и тянется дальше еще на 340 пар нуклеотидов. Этот сегмент богат АТ-парами.

Гросшедл и Бирнстил провели испытание функциональной роли каждого из участков, лежащих выше точки начала транскрипции, сравнивая транскрипцию клонированных генов Н2А, несущих делеции в этих участках, с транскрипцией немодифицированных клонов Н2А. Делеция участка, содержащего ТАТА-блок, вызывала понижение скорости транскрипции гена Н2А в 5 раз и приводила к тому, что транскрипция начиналась с новых сайтов инициации. Делеция консервативного блока из 30 пар нуклеотидов в участке А привела к ускорению транскрипции вдвое. Делеция большого участка Е, богатого АТ-парами, привела к замедлению транскрипции гена Н2А в 15-20 раз. Регуляторная функция этого участка может определяться либо его составом, либо наличием в нем какой-то специфической последовательности. Для проверки этих гипотез Гросшедл и Бирнстил создали модифицированный клон, содержащий участок Е, но с инвертированной последовательностью. Проверка на транскрипцию дала неожиданный результат: у ДНК, содержавшей инвертированный участок, уровень транскрипции оказался в 5 раз выше. Наряду с образованием обычных Н2А-транскриптов образовывались и транскрипты, на 5'-конце которых имелся добавочный фрагмент длиной в 90 нуклеотидов.

Регуляторную роль могут нести не только элементы, расположенные выше точки начала транскрипции. Исследования, проведенные Саконджу и др. (Sakonju et al.) и Богенхагеном и др. (Bogenhagen et al.), показали, что у Xenopus делеция начального участка гена 5S-рибосомной РНК не оказывает никакого влияния на транскрипцию. Даже делеция большей части самого структурного гена не производит никакого действия. Контроль транскрипции осуществляется здесь последовательностью, которая охватывает примерно 50 нуклеотидных пар внутри структурного гена. 5S-ген транскрибируется иной РНК-полимеразой (полимераза III), нежели гены, продуцирующие мРНК (полимераза II), и этим, возможно, объясняется различие в местоположении регуляторных сайтов. В общем и целом результаты исследований регуляторов генной экспрессии, примыкающих к генам, еще не вполне понятны; однако они указывают на существование разнообразных элементов, расположенных по соседству с генами и принимающих участие в количественной регуляции транскрипции и в уточнении места ее начала.

Несколько причудливый характер организации генов у эукариот, выявленный в результате современных исследований на молекулярном уровне, делает необходимым дополнить приведенное в начале этой главы высказывание Моргана о том, что эволюция требует не увеличения числа генов, а новых генов. Сама проблема значений С по большей части легко разрешается и перестает быть парадоксом. Сателлитная ДНК, семейства умеренно-повторяющихся последовательностей и интроны - все это сильно уменьшает долю генома, приходящуюся на кодирующие участки. Эти и другие элементы генома составляют большую часть его ДНК, причем количество их может сильно различаться у родственных организмов. Такое неожиданное разрешение С-парадокса выдвинуло еще более важную проблему. Разнообразие установленных и потенциальных регуляторных элементов поразительно; мы только начинаем постигать их функции. Увеличение числа генов и приобретение новых генов, возможно, участвует в эволюции большинства групп эукариот, однако главную роль в ней играют модификации изощренных регуляторных механизмов. Эволюционные изменения генной экспрессии, вероятнее всего, происходили путем изменений в отдельных регуляторных элементах или путем транспозиции генов и регуляторных элементов, что создавало возможность для новых ассоциаций белковых доменов и новых ассоциаций между генами и примыкающими к ним регуляторами. Такие изменения эффективны лишь потому, что локальные регуляторные элементы реагируют на сигналы, генерируемые интегрирующими системами, которые управляют экспрессией многочисленных генов, с тем чтобы создавать интегрированные ткани и определять морфогенетические пути.

Глава 12

Иерархии регуляторов и эволюция. Попытка синтеза

Генетики стараются подогнать эволюцию к генам, вместо того чтобы подгонять гены к эволюции.

Ограничения, присущие эволюционным синтезам

В 1932 г. знаменитый палеонтолог позвоночных Г. Осборн (Н. F. Osborn) опубликовал статью, озаглавленную «Девять принципов эволюции, открытых палеонтологией», которая преисполнена раздражения по отношению к генетике и генетикам и содержит удивительно догматичные (и ошибочные) формулировки «эволюционных принципов». Типичным их образцом служит следующее утверждение Осборна: «В настоящее время мы можем лишь сказать, что Природа не тратит попусту времени или усилий, рассчитывая на удачу или случай или ставя эксперименты, а стремится прямо и творчески к достижению своих прекрасных целей - созданию адаптивных биомеханизмов». Это поразительное изречение величественно отметает всякое участие в эволюции естественного отбора, использующего отклоняющиеся гены или генетические системы. Оно рисует, возможно, привлекательную для кого-то картину, олицетворяющую Природу, которая создает «перспективных монстров» и вызывает прерывистые эволюционные события по заранее составленному плану. Однако при этом Осборн считал, что эволюция, за исключением изменения меристических признаков, носящего прерывистый характер, протекает с величественной постепенностью при участии длительных непрерывных процессов. Направленность эволюции была ему очевидна в тех случаях, когда какая-либо тенденция, подобно коррелированному увеличению размеров рогов и общих размеров в одной группе вымерших млекопитающих - титанотериев, сохранялась на протяжении всей эволюционной истории данной линии.

Хотя Осборн не мог четко сформулировать свои представления о механизме(ах) эволюции, его восприятие этого процесса было все же достаточно определенным и довольно механистичным. Сохраняя, вслед за своим учителем Е. Копом (Е. Соре), верность традициям XIX в., он продолжал придерживаться некой разновидности ламаркизма. Осборн понимал, что подобный механизм невозможен без обратной связи, передающей информацию от сомы-тела - стабильному и обособленному зародышевому пути. В своей ранней книге под «скромным» названием «Возникновение и эволюция жизни» он обсуждает возможность прямого воздействия различных факторов среды на «наследственный хроматин». У Осборна можно найти проблески идей об участии в морфогенезе неких «химических посредников», таких как гормоны, и рассуждения о связи между генетически детерминированными признаками и признаками, которые вызываются нарушениями в гормональных системах.

Несостоятельность спекуляций Осборна о причинах морфологической эволюции, так же как и неудача геккелевских теорий, была результатом серьезных погрешностей в его взглядах на генетику и на роль генов и морфогенетических механизмов в этой эволюции. Направленности, которую видел Осборн в линиях ископаемых организмов, можно дать другие более разумные объяснения. Изменения могут быть непрерывными или прерывистыми, но они должны сдерживаться характером существующих морфогенетических взаимодействий. Эволюционные направления существуют, потому что отбор по определенным признакам может действовать только на уже имеющиеся морфогенетические процессы. Ламаркистские взгляды Осборна были глубоко ошибочными и анахроничными, однако в них была известная логика, если допустить, что эволюционные направления - продукт изменений наследственного материала, находящегося под прямым контролем среды.