Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

В 1963 г. Льюис (Е. В. Lewis) высказал мнение об эволюционной роли одного набора регуляторных генов-переключателей у дрозофилы - комплекса bithorax. Переход от сходного с многоножками предка, имевшего большое число конечностей, к примитивному шестиногому насекомому был связан с приобретением первых членов этого комплекса - генов bxd (bithoraxoid) и iab (infra-abdominal). Эти гены подавляют развитие конечностей на брюшных сегментах. Для дальнейшей эволюции Diptera от крылатых насекомых понадобилась эволюция гена bx (bithorax), а также других генов современного комплекса ВХ-С (Bithorax Complex), участвующих в превращении второй пары крыльев, отходящих от заднегруди, в жужжальца. Интересно, что типичные для Diptera признаки возникли до превращения второй пары крыльев в жужжальца, поскольку Рик (Riek) описал четырехкрылого ископаемого представителя Diptera из перми. Такое замороженное состояние в эволюции регуляторного гена служит убедительным аргументом в пользу предположения Льюиса о последовательном возникновении комплекса ВХ-С.

Регуляторные гены, управляющие сегментацией головы и передних сегментов груди, также возникали последовательным образом. Подробное изложение гипотезы о роли комплексов ВХ-С (Bithorax) и ANT-C (Antennapedia) в эволюции головы членистоногих и сегментарной организации, приведшей к насекомым, было дано в гл. 8. Однако эта гипотеза основана на анализе мутаций, которые, хотя и позволяют понять функцию нормальных аллелей генов, входящих в названные комплексы, недостаточны для рекапитуляции предковых форм. Дело в том, что гомеозисные мутации сами по себе не приводят к эволюционным изменениям, - важный момент, который часто недопонимается. Голова, несущая ноги вместо антенн, - это не «перспективный монстр», а лишь констатация функции гена, сформулированная в эксцентричных и вызывающих выражениях. У нее нет эволюционного будущего.

Можно ли доподлинно показать, что мутации регуляторных генов, действуя как переключатели, создают основу для морфологической эволюции? Как уже было сказано, имеются очень веские данные о существовании генов, контролирующих характер закручивания раковины у моллюсков, или генов, контролирующих события, связанные с определением числа амбулакров у иглокожих или числа пальцев у морских свинок; однако об отношении этих генов к эволюционным процессам (что так часто бывает, когда речь идет об эволюции) можно лишь строить предположения. По счастью, Стернберг и Хорвитц (Sternberg, Horvitz) провели очень тонкое исследование, позволяющее недвусмысленно ответить на вопрос об эволюционной роли переключателей.

Стернберг и Хорвитц изучали эмбриогенетическую основу морфологических различий между двумя мелкими видами нематод. Нематода Caenorhabdites elegans за последние годы внезапно приобрела популярность в качестве экспериментального объекта, потому что, будучи довольно сложно организованным представителем Metazoa, она содержит всего около 2000 генов (примерно столько же, сколько Escherichia coli), ограниченное и постоянное число соматических клеток и очень удобна для изучения генетической регуляции развития. Эти ценные качества, С. elegans прекрасно описаны в кратком обзоре Эдгара (Edgar). Указанные выше три особенности этого организма обеспечили Стернбергу и Хорвитцу предпосылки, необходимые для подробного сопоставления в эволюционном аспекте линий клеток, образующих гонады у С. elegans и у представителя того же отряда, но другого семейства - Panagrellus redivivus. Тело взрослой нематоды состоит из небольшого числа клеток (у С. elegans - из 808); судьба каждой клетки строго детерминирована, и это дает возможность точно проследить за соответствующими друг другу клеточными линиями у двух сравниваемых видов.

Яичники Caenorhabdites elegans и Panagrellus redivivus изображены на рис. 12-1. У P. redivivus только один яичник, лежащий ближе к переднему концу тела по отношению к вульве, а у С. elegans - два яичника, открывающиеся в общую вульву. Исходная программа развития клеточной линии, дающей яичники, у этих двух видов в основном одинакова, если не считать некоторых модификаций, наложившихся на более поздних стадиях эволюции. Зачаток гонады состоит из четырех клеток, лежащих вдоль передне-задней оси (клетки Z1, Z2, Z3 и Z4, показанные на рис. 12-1). Две центральные клетки (Z2 и Z3) дают начало клеткам зародышевого пути, а две концевые клетки (Z1 и Z4) однозначно предопределены к образованию соматических структур гонады. На рис. 12-1 представлены схемы раннего развития линий клеток Z1 и Z4 у двух сравниваемых видов. Деление клеток протекает у них одинаково, и судьба образующихся в конечном итоге клеток идентична, за исключением одного важного различия. У С. elegans клетки Z1 и Z4 образуют в зачатке яичника по одной клетке, называемой дистальной концевой клеткой (ДКК), тогда как у P. redivivus образуется лишь одна такая клетка - в линии Z1, а соответствующая клетка в линии Z4 гибнет, причем эта гибель запрограммирована. Это единственное изменение в клеточной судьбе приводит к очень резким и поучительным морфологическим последствиям.

Рис. 12-1. Изменение в процессе эволюции клеточных линий, участвующих в развитии гонад у нематод Caenorhabdites elegans и Panagrellus redivims. А. Зачаток гонады, состоящий из четырех клеток - Zl, Z2, Z3 и Z4; этот зачаток одинаков у обоих видов. Б. Парные гонады С. elegans и схема (слева) клеточных линий Z1 и Z4, из которых образуются соматические структуры гонады. В. Единственная гонада P. redivims и схема (слева) клеточных линий Z1 и Z4. Обратите внимание на запрограммированную гибель (X) дистальных концевых клеток (ДКК), происходящих от линии Z4, в результате чего задняя ветвь гонады не развивается. (Рисунок сделан на основании фотографий и схем, любезно предоставленных Р. V. Sternberg и Н. R. Horwitz.)

Парный яичник Caenorhabdites elegans, по-видимому, соответствует примитивному типу строения, тогда как непарный яичник независимо возникал в процессе эволюции нематод несколько раз. Кимбль и Уайт (Kimble, White), разрушая ДКК у С. elegans с помощью лазерного микролуча, показали, что эта клетка необходима для развития одной из половых трубок. Разрушение ДКК вызывает прекращение митозов в клетках зародышевого пути. Поскольку рост яичника зависит от митозов в клетках зародышевого пути, ветвь, лишенная ДКК, прекращает рост. У С. elegans, лишенной задней ДКК, происходящей из клетки Z4, развивается только передняя половая трубка, и его яичник становится таким как у Panagrellus redivivus. Для эволюции непарного яичника могло бы потребоваться лишь одно мутационное изменение в судьбе одной клетки - запрограммированная гибель клетки, прежде запрограммированной на превращение в ДКК. Мутации в одном гене, вызывающие переключения развития клетки с одного пути на другой, у С. elegans хорошо документированы. Известны мутанты, у которых наблюдаются специфические переключения на запрограммированную гибель в норме жизнеспособных клеток, и один такой мутантный ген, действующий как внутренний разрушитель ДКК, вызывает развитие у С. elegans непарного яичника. Стернберг и Хорвитц полагают, что если переключения происходят в регуляторной клетке (которую они определяют как клетку, осуществляющую контроль над другими клетками), то тем самым создается возможность для прерывистых эволюционных переходов. Так, среди генетических изменений, происходивших в процессе филогенеза P. redivivus, изменения в судьбе клеточной линии Z4 почти наверное возникли в результате изменения одного гена и тем не менее привели к радикальным морфологическим последствиям.

Стернберг и Хорвитц при своем детальном сравнении Caenorhabdites elegans и Panagrellus redivivus обнаружили три класса превращений в клеточных линиях, для которых у С. elegans имеются мутационные эквиваленты. К первому классу относятся переключения, изменяющие судьбу клеток, примером которых служит линия Z4. К двум другим относятся изменения числа клеточных делений, характерного для данной клеточной линии, и изменение сегрегации, приводящее к тому, что потенции развития, обычно характерные для одной клетки, переносятся на ее сестринскую клетку. Благодаря существованию у С. elegans мутаций, которые экспрессируются в виде превращений, эквивалентных наблюдаемым при эволюции, эта нематода служит системой, позволяющей получить много сведений о генетике генов-переключателей, управляющих этими явлениями. В этом смысле нематоды создают возможность для генетического подхода к проблеме клеточной детерминации, так хорошо изученной на классических объектах - моллюсках со спиральным дроблением и оболочниках, которые оказались непригодными для генетических исследований. Остается выяснить, не эквивалентны ли гены-переключатели нематод гомеозисным генам-переключателям дрозофилы.