Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Рис. 10-1. Микрофотография политенных хромосом слюнной железы Drosophila melanogaster (фотография любезно предоставлена R. Lewis).

Доля этих 5000 генов, способных давать летальные мутации, была определена в двух работах: Шеннон (Shannon) и ее сотрудников и Хочмена (Hochman). Шеннон и др. исследовали мутации в небольшом участке Х-хромосомы между генами zeste и white, который, как показано на рис. 10-2, содержит 13 полос и 13 генов, поддающихся идентификации. Хочмен изучил подобным же образом маленькую четвертую хромосому, содержащую всего 50 полос, в которой он идентифицировал 43 гена. Из 13 генов, локализованных в участке Х-хромосомы, изученном Шенноном и др., только 2 не дают летальных мутаций, а из 43 генов четвертой хромосомы, выявленных Хочменом, - только 6, т.е., по-видимому, эти гены не имеют жизненно важного значения для дрозофилы. На основании экстраполяции от этой ограниченной выборки можно считать, что примерно 85% из 5000 генов дрозофилы способны давать летальные мутации.

Рис. 10-2. Идентификация генов, локализованных в небольшом участке X-хромосомы Drosophila melanogaster, расположенном между генами zeste и white. Тринадцать идентифицированных генов соответствуют тринадцати видимым дискам (Kauffman et al., 1975; с изменениями).

Подвергнув эти обнаруженные и нанесенные на карты летали морфогенетическому анализу, Шеннон и др. и Хочмен установили, что 1/10 и 5/37 соответственно были эмбриональными деталями. Если относительная частота эмбриональных деталей среди всех деталей точно отражает общее их число в геноме, то в таком случае, как это суммировано в табл. 10-2, у дрозофилы имеется от 425 до 550, или примерно 500 генов, способных давать мутации не просто летальные, но летальные именно во время зародышевого развития. Суммируя эту оценку с оценкой числа деталей с материнским эффектом, получаем, что для ранних стадий эмбриогенеза и для формирования функционирующей личинки необходимо 617 генов.

Таблица 10-2. Оценка общего числа эмбриональных леталей в геноме дрозофилы

Авторы Участок Число полос Число генов Число леталей Число эмбриональных леталей Число эмбриональных леталей во всем геноме Шеннон и др. zeste white 13 13 10 1 425 Хочмен Четвертая хромосома 50 43 37 5 550

Оценку числа генов, необходимых для развития и поддержания имагинальных дисков при отсутствии у зародыша каких-либо дефектов, можно произвести на основании результатов, полученных Ширном и Гереном (Shearn, Geren). Эти исследователи выбрали летальные мутации, которые допускали внешне нормальный эмбриогенез и личиночное развитие, но вызывали гибель во время метаморфоза. Было установлено, что эти мутации обусловливают либо дефекты имагинальных дисков, либо полное их отсутствие. Всего было выделено из третьей хромосомы 57 мутаций такого типа. Тесты на комплементацию среди этих 57 мутаций выявили 52 группы комплементации, или гена. Тем же способом, который использовался для подсчета генов с материнским эффектом, было установлено, что для генов этого класса в третьей хромосоме n0 = 384. Таким образом, теоретически общее число генов в третьей хромосоме, функция которых необходима для нормального развития имагинальных дисков, равна 436. Кисе (Kiss) и его сотрудники обнаружили мутации этого класса также в Х-хромосоме. Поскольку эти мутации представляют собой сцепленные с полом летали, которые нельзя подвергнуть стандартному тесту на комплементацию, Кисе и сотр. были вынуждены провести более сложный анализ, описывать который здесь нет необходимости. По полученной ими оценке для развития функции имагинальных дисков жизненно необходимо 118 генов, локализованных в Х-хромосоме. Если допустить, что во второй и четвертой хромосомах, судя по содержанию в них ДНК по сравнению с третьей хромосомой, локализовано 436 и 20 таких генов соответственно, то общее число генов во всем геноме, необходимое для развития имагинальных дисков, составит приблизительно 1000.

Итак, в целом для нормального течения эмбриогенеза и метаморфоза необходимо 1617 генов, т. е. примерно 30% общего числа генов, определяемого методами менделевской генетики.

Следует подчеркнуть, что в эти оценки совершенно не входят гены некоторых типов - гены, существующие в множественных копиях, такие как гены гистонов, рибосомных РНК (рРНК) и транспортных РНК (тРНК), которые обсуждаются далее в этой главе. Рассмотренными нами способами обнаружения мутаций вряд ли можно выявить гены, существующие в нескольких идентичных копиях. Кроме того, наши оценки, по-видимому, не учитывают гены, определяющие жизненно важные (housekeeping) функции мухи на протяжении всей ее жизни. Так, например, действие мутации, затрагивающей синтез цитохрома с, не будет обладать временной специфичностью, подобно рассмотренным выше мутациям. Если все эти рассуждения верны, то в соответствии с оценкой, полученной путем отбора генов, необходимых для развития, вероятно, можно считать, что у дрозофилы генетическая стоимость развития от яйца до взрослой мухи составляет 30% общего числа генов в геноме.

Генетическая стоимость развития на молекулярном уровне

Попытки перенести оценки числа генов, необходимых для развития дрозофилы, на другие организмы сталкиваются с двумя проблемами. Во-первых, геном дрозофилы, по крайней мере в некоторых существенных отношениях, организован, по-видимому, несколько иначе, чем геномы большинства других животных. Вполне возможно, что генетические заключения, сделанные на дрозофиле, окажутся ошибочными при перенесении их на другие организмы. Второе затруднение связано с определением гена. Классическое определение, принятое генетиками, носит в значительной степени операциональный характер: ген определяется по его воздействию на жизнеспособность или на видимый фенотип. К сожалению, генетический анализ большинства организмов, изучаемых эмбриологами, находится лишь в зачаточном состоянии. Для определения числа активных генов у этих животных применяют другой, молекулярный, подход. У молекулярных биологов операциональное определение гена обычно означает нуклеотидную последовательность ДНК, кодирующую аминокислотную последовательность белка. Хотя существуют методы, позволяющие разделять белки, относительно часто встречающиеся в клетке, и определять их число, экспериментально оценить число видов редких белков почти невозможно. К счастью, удается определить число различных присутствующих в клетке мРНК и таким образом оценить число функционирующих генов. Определение гена молекулярных биологов в конечном счете во многих случаях придет в соответствие с определением генетиков. Однако далеко не ясно, все ли гены обязательно продуцируют мРНК и содержит ли данная мРНК всю информацию, имеющуюся в гене, с которого она транскрибирована.

Зародыши располагают двумя источниками мРНК: теми мРНК, которые запасаются в яйце во время оогенеза, и теми, которые синтезируются в клетках зародыша в процессе развития. Главное назначение больших и разнообразных запасов мРНК в яйце состоит в том, чтобы дать возможность только что оплодотворенному яйцу начать выполнение грандиозной программы белкового синтеза и обеспечить снабжение клетки белками, необходимыми для сборки ядер, мембран и других субклеточных структур в период быстрого дробления. После того как в результате дробления возникнет достаточное количество ядер, сам зародыш становится способным поддерживать такой уровень синтеза мРНК, который обеспечивает синтез белка, необходимого для дальнейшего развития. Каждый отдельный вид мРНК представляет в зародыше кодирующую часть нуклеотидной последовательности определенного структурного гена. Если обратиться к табл. 3-1, то вряд ли останутся сомнения, что такие матричные последовательности отражают только некоторую часть генома. Очевидно также, что многие регуляторные гены, играющие важную роль в морфогенезе, вовсе не участвуют в синтезе мРНК. Следовательно, используя в качестве показателя числа генов, необходимых для развития, разнообразие мРНК, мы просто упустим из виду очень важный класс генов, который поддается выявлению методами менделевской генетики, потому что мутации этих генов приводят к изменениям фенотипа или к гибели зародышей на разных стадиях развития, как это было описано в предыдущем разделе данной главы. Точно оценить количественный эффект этого расхождения невозможно, но, по счастью, между регуляторными генами и генами, представленными в виде копий мРНК, все-таки существует известное соответствие. Гены, функционирующие как регуляторы морфогенеза, транскрибируются, по крайней мере в некоторых случаях. РНК, обнаруженные Кальтгоффом (Kalthoff) в яйцах насекомого Smittia (см. гл. 4), по-видимому, представляют собой транскрипты генов этого класса, потому что эти РНК обеспечивают фактор, необходимый для дифференцировки переднего конца зародыша. Далее многие структурные гены действительно играют важную роль в развитии и морфогенезе. Гены, детерминирующие белки хориона (оболочка яйца у насекомых), которые рассматриваются несколько подробнее в следующем разделе этой главы, служат полезными примерами генов этой категории. Отдельные гены, кодирующие белки хориона, включаются и выключаются по определенному расписанию в процессе морфогенеза оболочки яйца. Белки хориона несут, разумеется, структурные, а не регуляторные функции, но тем не менее если не произойдут переключения соответствующих генов или если ген окажется дефектным, то это может привести к сборке модифицированной или дефектной структуры.