Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Рис. 9-10. Два гетероморфных меловых аммонита из Среднего Запада Северной Америки. У обоих видов Didymoceras nebrascense (А) и D. stephensoni (Б) для раннего периода развития раковины был характерен рост по прямой; затем его сменял период роста по спирали и, наконец, в период зрелости происходило образование последнего витка в иной плоскости (Gill, Cobban, 1973; Scott, Cobban, 1965).

В гл. 7 - 9 мы хотели продемонстрировать, что гены в самом деле контролируют онтогенез и притом весьма специфическими способами, т. е. что существует такое явление, как генетически детерминированная программа развития. Исследование этой генетической программы путем анализа мутаций, воздействующих на развитие, показало, что, хотя мутантные аллели многих генов нарушают развитие, существует небольшая группа генов, мутации которых вызывают совершенно новые эффекты. Эти гены, примером которых служат гомеозисные комплексы дрозофилы, действуют, подобно переключателям, специфицируя альтернативные типы морфогенеза. Мы подробно рассмотрели характеристики гомеозисных генов, потому что это наиболее глубоко изученные гены-переключатели, связанные с развитием. У других организмов также имеются гены-переключатели, которые, вероятно, играют важную роль в принятии решений в процессе развития, но эти гены менее изучены.

Интересная особенность генов дрозофилы, которые «принимают решения» при переключениях, связанных с детерминацией числа сегментов, их полярности и индивидуальных особенностей, состоит в том, что эти гены служат как бы для расшифровки позиционной информации. Как было показано в гл. 4, позиционная информация представляет собой важный элемент развития широкого филогенетического спектра организмов. Однако большинство беспозвоночных и позвоночных животных, служащих классическими объектами исследования в эмбриологии, слишком слабо изучены генетически, чтобы можно было расчленить генетические программы, участвующие в установлении и расшифровке пространственной организации; такую возможность предоставляет только дрозофила, чем и объясняется наша «приверженность к мухам».

Процессы развития можно анализировать классическими генетическими методами, позволяющими выявить гены, несущие регуляторные функции в живом организме. Однако при анализе генной экспрессии мы не ограничены этими методами. В сущности, при изучении большинства организмов следует пользоваться другими методами. Успехи в разработке методов клонирования генов и в тонких исследованиях ДНК и РНК дают возможность изучать гены и генную экспрессию непосредственно в процессе развития. Результаты таких работ обсуждаются в гл. 10 и 11. В гл. 12 сделана попытка свести воедино и переосмыслить материал этих и других глав, положив начало созданию эмбриогенетической основы морфологической эволюции.

Глава 10

Адаптации экспрессии генов в процессе развития

Жизнь -это сила, которая проделывает бесчисленное множество экспериментов, пытаясь организовать себя ... мамонт и человек, мышь и мегатерий, мухи и отцы церкви - все это результаты более или менее успешных попыток постепенно превращать эту примитивную силу во все более и более высокоорганизованных индивидуумов индивидуумов

Эмбриональные адаптации

Эволюционная история любого вида определяет те его структуры и процессы, на которые может действовать естественный отбор. История и адаптация переплетаются друг с другом. Это привело к поразительному разнообразию личиночных морфологии. В некоторых группах сохраняются сходные типы развития и сходные личиночные стадии, несмотря на резкие различия морфологии взрослых особей. Так, у морских желудей и других ракообразных сохраняется считающаяся примитивной личинка науплиус, а у зародышей млекопитающих имеются структуры, напоминающие жаберные дуги рыб. Подобные случаи легли в основу закона Бэра, а позднее - геккелевского закона рекапитуляции. Известны, однако, и противоположные примеры. У некоторых насекомых, очень сходных на стадии имаго, личинки сильно различаются вследствие дивергентных личиночных специализаций. Такие случаи и существование специализированных структур, связанных с развитием (например, внезародышевые оболочки и плацента млекопитающих), представляют собой временные приспособления, по которым зародыши и личинки могут очень сильно отклоняться от предковых или даже родственных форм.

Зародышевые и личиночные стадии, хотя они должны обладать всеми атрибутами, необходимыми интегрированным и жизнеспособным организмам, тем не менее представляют собой стадии некоего динамического процесса, связанного с дифференцировкой и ростом в пределах зародыша. Если мы согласны с тем, что изменения этих процессов создают механическую основу для достижения морфологической эволюции, то тогда характер адаптации, лежащих в основе экспрессии генов, которые контролируют зародышевые стадии развития, представляет очень большой интерес.

В гл. 7-9 были приведены данные, показывающие, что гены действительно контролируют морфологическое развитие. В настоящей главе мы рассмотрим два главных аспекта экспрессии этих генов: генетическую стоимость развития в смысле доли генома, отдаваемой развитию, и специализации в организации генома, необходимые для поддержания развития.

Сколько генов необходимо для развития?

К счастью, существуют методы, позволяющие оценить количество генетической информации, имеющейся у высших организмов. Один из самых тонких таких методов - классическая менделевская генетика. Главная трудность, связанная с этим методом, заключается в удивительно малом числе организмов, которые достаточно подробно изучены генетически, чтобы предоставить нам желаемые данные. В сущности, на сегодняшний день лишь один организм - плодовую мушку Drosophila melanogaster - можно считать достаточно хорошо изученной генетически. С тех пор как в 1910 г. Т. Морган и его ученики впервые внесли дрозофилу в лабораторию, по одному этому скромному насекомому было собрано внушительное количество информации. С помощью химических мутагенов и рентгеновых лучей у дрозофилы были индуцированы многие тысячи мутаций, разбросанных по всему ее геному. Современный каталог мутаций D. melanogaster - свидетельство усердия генетиков - занимает свыше 500 страниц.

Эта обширная коллекция мутаций, а также умение получать новые создают возможность для выявления зависимости между генами и морфологическими, метаболическими, морфогенетическими или поведенческими признаками организма. Мутации можно использовать для получения двух основных типов информации относительно развития: это, во-первых, важнейшие сведения относительно функции отдельных процессов онтогенеза и их регуляции, получаемые путем анализа способов, которыми мутации вмешиваются в такие процессы; во-вторых, это информация (она нас, собственно, здесь и интересует) о числе генов, контролирующих процессы развития, которая в свою очередь дает нам возможность оценить долю генома, участвующего в онтогенезе как таковом.

Каждый отдельный ген может дать ряд различных мутантных аллелей, проявляющихся в виде различных фенотипов; поэтому число генов, участвующих в том или ином процессе, нельзя оценить с помощью такой привлекательной по своей простоте процедуры, как подсчет мутаций. Рассмотрим две мутации, воздействующие на один определенный фенотипический признак. Вопрос о том, относятся ли эти две мутации к одному или к двум генам, решается при помощи стандартного теста на комплементацию.

Число групп комплементации, регулирующих развитие дрозофилы, можно оценить, взяв выборку мутаций какого-либо одного класса и определяя путем экстраполяции общее число генов этого класса во всем геноме. Такая экстраполяция основана на двух допущениях. Первое из них состоит в том, что гены, имеющие одинаковые функции, распределены либо в одной хромосоме, либо во всем геноме случайным образом; т.е. гены, выполняющие в развитии близкие функции, не образуют кластеров. За некоторыми важными исключениями, рассмотренными в гл. 8, это допущение кажется разумным. Второе допущение заключается в том, что гены, несущие сходные функции, мутируют с одинаковой частотой и что их мутации одинаково легко выявить. Это допущение не выполняется отдельными генами, которые оказываются более мутабильными, чем большинство других, но оно, по-видимому, оправданно применительно к большой выборке генов. Можно выявить мутации, блокирующие развитие различными способами, и сгруппировать их в определенные категории. По каждой категории собирают как можно больше мутаций, но сделать исчерпывающую выборку, в которой геном насыщен мутантными генами желаемой категории, конечно, невозможно. Поэтому берется ненасыщающая выборка, которую надо затем статистически расширить. Для этого необходимо, чтобы гены, попавшие в выборку просто потому, что они мутировали, действительно представляли собой случайную выборку из того класса, который интересует исследователя.