Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Второй возможный тип молекулярной рекапитуляции Цуккеркандль (Zucherkandl) сформулировал следующим образом: «Не являются ли полипептидные цепи, функционирующие в зародыше, эволюционно более древними, чем полипептидные цепи взрослого организма?» Имеются данные, позволяющие проверить, существует ли рекапитуляция такого типа. Цуккеркандль создал очень простой тест для проверки этого явления. Основываясь на гемоглобинах, для которых последовательность аминокислот установить легко, Цуккеркандль предположил, что достаточно лишь сравнить последовательности гемоглобина плода и гемоглобина взрослого типа с общей для них предковой последовательностью. Если глобин плода рекапитулируется, то он должен дивергировать от предковой последовательности меньше, чем соответствующий глобин взрослого типа. Поскольку у β-глобинов (включая фетальную γ-цепь) и α-глобинов человека имеется общая предковая последовательность, можно проводить прямые сравнения последовательностей β- и α-глобинов и γ- и α-глобинов человека (рис. 6-10). Оба отличаются от α-последовательности примерно по 55 замещениям. Таким образом, между скоростями эволюции β-и γ-цепей нет разницы. У коровы обнаружена такая же степень сходства между «γ»- и β-цепями и α-глобином, причем «γ»-цепь коровы даже ближе к β-цепи, чем к γ-цепи человека.

Рис. 6-10. Эволюционное древо генов человека, определяющих β-подобные глобины. Дивергенция между генами α- и β-глобинов произошла примерно 500·106 лет назад. Эфстратиадис и др. предполагают, что дивергенция гена β-глобина взрослого типа от предкового гена эмбрионального глобина произошла в ранний период эволюции млекопитающих от звероподобных рептилий, а дивергенция гена эмбрионального ε-глобина от генов эмбриональной цепи - в начале радиации плацентарных млекопитающих (Efstratiadis et al., 1980).

Цуккеркандль не только не подтвердил наличия рекапитуляции в последовательности γ-цепи фетального гемоглобина, но и упорно настаивает, что γ-цепь гемоглобина человека возникла сравнительно недавно. Он приводит следующие доводы: судя по скорости замены аминокислот, типичной для глобинов, и по различиям в последовательностях γ- и β-цепей, общий предок γ- и β-цепей человека не может быть старше примерно 200 млн. лет, или, грубо говоря, относится к концу триаса. Примитивные млекопитающие того времени происходят от рептилий, происхождение которых можно проследить еще на 100 млн. лет назад, а затем еще на 150 млн. лет назад, до древней формы, послужившей предком всех позвоночных. Эмбриональные гемоглобины имеются у рептилий, амфибий и рыб, и вполне вероятно, что они имелись и у их предков. У форм, составлявших эволюционную линию, ведущую к человеку, эмбриональные гемоглобины имелись задолго до возникновения нынешней γ-цепи. Таким образом, фетальные «не-α-цепи», по-видимому, возникли в результате независимых генных дупликаций и сменяли одна другую в процессе эволюции гемоглобина.

Глава 7

Генетическая регуляция развития

У природы столько дел в этом мире, ей приходится создавать такую массу разнообразнейших творений, что по временам она и сама не в силах разобраться во всех тех различных процессах, которыми она одновременно занимается.

Мутации и изменения, происходящие в онтогенезе

Если морфология представляет собой проявление сложного комплекса процессов развития, то эти процессы в свою очередь представляют собой проявление действия целого созвездия генов. Таково важное допущение, положенное в основу этой книги, и мы собрали по крайней мере prima facie данные в пользу того, что у Metazoa часть генома специфически участвует в регуляции онтогенеза и что характер эволюции этой части отличается от характера эволюции структурных генов. До сих пор, однако, мы ограничивались изолированными частными примерами генного контроля морфогенеза и не пытались ответить на центральный вопрос: каким образом гены определяют процесс развития?

Здесь мы в весьма прямом смысле возвращаемся к программе механики развития, выдвинутой Ру (Roux), однако, вместо того чтобы удалять клетки или другие структуры зародыша, с тем чтобы определить их роли в развитии, как это делали представители классической экспериментальной эмбриологии, генетика развития использует мутации как очень тонкий скальпель, дающий возможность уничтожать или изменять отдельные гены.

Генетическая модель, с помощью которой можно изучать любую систему, теоретически находящуюся под генетическим контролем, состоит в следующем. Для того чтобы проанализировать какой-либо процесс, в данном случае онтогенез, исследователь выявляет мутации, изменяющие этот процесс. Выявив такие мутации, он проводит фенотипическое сравнение мутантных особей с нормальными. Это сравнение помогает ему понять, как данный ген влияет на нормальное развитие. Однако, прежде чем продолжить описание метода проведения такого сравнения, следует указать, что воздействие мутаций на онтогенез проявляется двумя основными способами. Это, во-первых, дизруптивные изменения, при которых процесс нормального развития нарушается, что приводит к морфологическим аномалиям (например, к отсутствию некоторых структур). В наиболее резко выраженной форме такие мутации оказываются летальными. Во-вторых, это гомеозисные изменения, при которых под действием мутации развитие отклоняется от нормы, в результате чего какая-либо структура данного организма замещается гомологичным органом или конечностью. Мы отложим дальнейшее обсуждение мутаций этого второго типа до следующей главы и займемся здесь главным образом дизруптивными изменениями.

Анализ нарушений, вызываемых какой-либо дизруптивной мутацией, лишь в редких случаях сводится к простому сравнению конечного фенотипа гибнущей особи с нормальным фенотипом, потому что развитие - это сложный и высокоинтегрированный процесс. Огромное большинство происходящих в нем событий тесно связано с другими событиями и, в сущности, зависит от них. Это особенно ясно проявляется в том, что многие мутации обладают плейотропным действием, т. е. отсутствие или изменение одного гена может обусловить несколько морфологических изменений. Примером служат изменения, наблюдаемые у людей с так называемой аномалией Пельгера (Pg). Она наследуется у человека как простой доминантный аутосомный признак. У гетерозигот (Pg/+) нет никаких клинических симптомов, но для их нейтрофилов характерны аномально сегментированные ядра (рис. 7-1). У взрослого человека ядра полиморфноядерных нейтрофилов обычно состоят из четырех или пяти сегментов, у гетерозигот же Pg/+ ядра состоят всего из двух, реже из трех сегментов. Этот же признак обнаружен у кроликов, у которых он наследуется по тому же типу и сходным образом проявляется в картине крови. Скрещивая гетерозиготных кроликов, можно получить гомозиготных особей Pg/Pg. Ядра нейтрофилов у этих особей вообще не разделены на сегменты, и такой генотип сопровождается низкой жизнеспособностью. Для немногих выживших особей помимо этой особенности нейтрофилов характерна крайне выраженная карликовость с недоразвитием конечностей и грудной клетки (рис. 7-1). Здесь следует задать вопрос: какова причинная зависимость, если она существует, между этими двумя плейотропными нарушениями? Не исключена возможность, что оба этих фенотипических проявления представляют собой на самом деле результат третьего, пока еще неизвестного нарушения, вызванного аллелем Pg.

Рис. 7-1. Аномалия Пельгера у кроликов. А. Полиморфноядерные нейтрофилы нормальных ( +/+ ), гетерозиготных (Pg/+) и гомозиготных мутантных (Pg/Pg) кроликов. Б и В. Скелеты и общий вид взрослых кроликов Pg/+ (слева) и Pg/Pg(справа). Обратите внимание на резко выраженную недоразвитость конечностей у гомозиготных особей (Nachtsheim, 1950).

Широкий диапазон плейотропных воздействий наблюдается и при другом наследуемом изменении крови - при серповидноклеточной анемии. Она также наследуется у человека как простой аутосомный доминантный признак, отличаясь от аномалии Пельгера только тем, что нам точно известно вызывающее ее биохимическое нарушение. У людей, страдающих этим заболеванием, в β-цепях гемоглобина замещена аминокислота в положении 6. В условиях низкого напряжения кислорода эта единственная замена изменяет конформационные свойства образующегося гемоглобинового тетрамера. В капиллярах и в мелких венах эритроциты, содержащие такой мутантный гемоглобин, деформируются, приобретая характерную «серповидную» форму. Такое изменение формы влечет за собой два непосредственных следствия. Во-первых, организм распознает аномальные серповидные эритроциты и разрушает их, что приводит к развитию анемии. Во-вторых, серповидные клетки часто закупоривают капилляры, нарушая кровоснабжение в отдельных участках, а тем самым нормальный рост и функционирование соответствующих органов.