Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Спустя сто лет после провидческой гипотезы Ланкестера мы начинаем постигать сущность «физиологических молекул», участвующих в морфогенезе. В только что оплодотворенных яйцах имеются три информационные системы, взаимодействующие во время развития: ДНК ядерного генома, распределенные по отдельным участкам цитоплазмы информационные макромолекулы и цитоскелетный матрикс, регулирующий местоположение локальных молекулярных событий в цитоплазме. Взаимодействиям между этими информационными элементами в развитии, их изменениям и роли в эволюции главных типов многоклеточных животных и посвящена настоящая глава.

Как указывал К. Бэр, в пределах любой группы животных развитие обычно консервативно. Механическая основа этого наблюдения очевидна. Родственные организмы представляют собой разнообразные выражения одного общего плана строения, основанного на наследовании общего типа развития. Для морфогенеза необходим необычайно сложный комплекс каскадно включающихся взаимодействий, происходящих в зародыше. Ранние стадии развития особенно устойчивы к эволюционным изменениям, потому что внесение любого изменения на ранних стадиях развития оказывает очень глубокое влияние на весь последующий процесс развития. Новый план строения требует значительной модификации всего типа развития; поэтому изменений ранних стадий развития следует ожидать в тех случаях, когда дивергенция организмов достигает такой степени, какую можно видеть между высшими таксономическими категориями - классами или типами. И действительно, в некоторых случаях эволюция новых групп сопровождалась радикальными преобразованиями организаций яйца и зародыша. Примечательно, однако, что ранние стадии развития в некоторых группах оказались столь консервативными, что, в то время как морфология поздних стадий развития и взрослых особей претерпевала глубокие изменения, организация яиц и их дробление упорно оставались сходными. Этот консерватизм послужил одной из главных основ для построения филогенетического древа Metazoa, представленного на рис. 4-1.

Рис. 4-1. Филогенетическое древо Metazoa.

Главный ствол филогенетического древа Metazoa делится на две большие ветви, к каждой из которых принадлежит по нескольку типов. На первый взгляд кажется нелогичным объединение таких несходных типов, как хордовые и иглокожие, в группу вторичноротых или же плоских червей, кольчецов, моллюсков и членистоногих - в группу первичноротых. Но если подробно и внимательно изучить эмбриологию этих форм, то связи между ними начинают выявляться.

Вторичноротые называются так потому, что ротовое отверстие личинки возникает несколько кпереди от бластопора, или того места, где при гаструляции происходит инвагинация клеток, из которых затем образуется первичная кишка зародыша. Яйца вторичноротых после оплодотворения начинают дробиться; при этом митотические веретена в бластомерах попеременно располагаются то параллельно, то перпендикулярно анимально-вегетативной оси яйца. Образующиеся в результате такого радиального дробления бластомеры (или клетки зародыша) располагаются точно друг над другом, как это показано на рис. 4-2 на примере яйца иглокожих. У примитивных позвоночных, таких как амфибии, дробление происходит в основном аналогичным образом.

Подобно вторичноротым, первичноротые получили свое название по месту возникновения у их личинок ротового отверстия, которое образуется у них из бластопора или вблизи него. У большинства главных типов первичноротых дробление спиральное (рис. 4-2). Все эти типы, в том числе немертины, плоские черви, моллюски и кольчецы, объединенные на рис. 4-1 в группу Spiralia, обладают на ранних стадиях эмбрионального развития очень сходным спиральным дроблением, которое, несмотря на в корне различную морфологию взрослых особей этих типов, выдает их близкое эволюционное родство.

Рис. 4-2. Радиальное и спиральное дробление. Показаны зародыши на стадиях двух, четырех и восьми бластомеров. Радиальное дробление типично для иглокожих и других вторичноротых, а спиральное дробление - для многих первичноротых.

На родственные отношения указывает также другой эволюционно консервативный и фундаментальный аспект организации яйца - регионализация, т.е. распределение информационных макромолекул по определенным участкам цитоплазмы. Как у вторичноротых, так и у первичноротых зародыши содержат такие локализованные информационные системы, играющие важную роль в определении судьбы отдельных участков зародыша в процессе развития. Характер локализации этих участков тесно коррелирует с планом дробления, который в свою очередь определяется временем последовательных митотических делений и расположением веретен, что отражает организацию цитоскелетного матрикса яйца. Важнейший аспект функции и эволюции типов организации яиц заключается в том, каким образом эти типы организации обеспечивают дифференциальную экспрессию генов в клетках развивающихся зародышей, и притом в строго определенных их частях.

Дифференциальная экспрессия генов в процессе развития

Один из главных и общепризнанных догматов современной эмбриологии состоит в том, что, за исключением нескольких особых случаев, все клетки данного организма, независимо от того какими они становятся в дифференцированном состоянии, содержат в геноме одну и ту же ДНК. Тем не менее экспрессия генов в клетках одного типа явно отличается от их экспрессии в клетках другого типа. Дифференцированные клетки каждого типа обладают свойственной им одним морфологией и поддерживают свой собственный набор синтезируемых белков. Содержащиеся в клетках разного типа матричные РНК (мРНК) также неидентичны. На основе всех этих данных ученые пришли к единодушному мнению, высказанному, например, в 1976 г. Дэвидсоном (Davidson), что дифференцировка обусловливается изменениями дифференциальной экспрессии генов в различных клеточных линиях развивающегося зародыша.

У бактерий экспрессия генов контролируется исключительно регуляторными механизмами, действующими на уровне транскрипции генов, т.е. синтеза мРНК. У эукариот регуляция действия генов более сложная. Регуляция происходит на уровнях транскрипции, процессинга, в результате которого в ядре из большого и сложного первичного РНК-транскрипта образуется соответствующая мРНК, а также на уровне транспорта мРНК из ядра в цитоплазму. Трансляция мРНК после того, как она попадет в цитоплазму, также регулируется разнообразными механизмами. Мы пользуемся достаточно неопределенным термином «генная экспрессия», имея в виду множественность регулирующих механизмов, которые могут здесь действовать.

Начальная детерминированность бластомеров к дифференцировке в определенных направлениях обеспечивается взаимодействием ядерного генома с информацией, находящейся в цитоплазме. Эту гипотезу впервые четко сформулировал Т. Морган (Т. Morgan) в 1934 г. в своей книге «Эмбриология и генетика»:

«Известно, что протоплазма в разных участках яйца несколько различна и что эти различия выявляются более четко в процессе дробления - благодаря происходящему при этом перемещению материалов. Протоплазма поставляет материалы, необходимые для увеличения количества хроматина и для синтеза веществ, вырабатываемых генами. Можно предполагать, что первоначальные различия между участками протоплазмы оказывают влияние на активность генов. Затем гены в свою очередь воздействуют на протоплазму, что приводит к возникновению новой последовательности реципрокных реакций. Такой нам представляется картина постепенного усложнения и дифференцировки различных участков зародыша».

Информационные элементы гипотетического зародыша схематически представлены на рис. 4-3, на котором изображен срез оплодотворенного яйца, содержащего ядро и локализованные цитоплазматические макромолекулы двух типов, показанные мелкими и крупными точками. Цитоскелетный матрикс яйца изображен в виде решетки. Следует указать, что решетка - это просто статичное изображение цитоскелетной системы, которая сама, по-видимому, изменяется с течением развития. После того как началось дробление, каждая клетка зародыша получает ядро, равноценное по содержанию ДНК каждому из других ядер, однако эти ядра оказываются в разном цитоплазматическом окружении. Стрелками на рис. 4-3 показаны потоки информации. Таким образом каждое из ядер, находящихся в различных бластомерах, получает особый сигнал от определенных локализованных макромолекул. Ответ ядра на полученный сигнал зависит от вида макромолекул, локализованных в данном бластомере. Это взаимодействие приводит к инициации ядрами специфичных типов генной экспрессии (изображенной стрелками, выходящими из ядер). Избирательная транскрипция, процессинг и трансляция специфичных частей ядерного генома ведет к биохимической и морфологической дифференцировке клеток зародыша. Еще одно важное взаимодействие изображено стрелками, идущими от одной клетки к другой; это пример индукционного взаимодействия, возникающего между группами клеток зародыша, при котором какое-то вещество, вырабатываемое одной группой клеток, индуцирует в определенное время специфическую дифференцировку другой группы клеток. У хордовых, например, хорда индуцирует дифференцировку вышележащей эктодермы в нервную ткань.