Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Следует обратить внимание на некоторые особенности этой модели. Во-первых, гены могут использоваться в различных сочетаниях, образуя характерные тканеспецифичные батареи активных генов. Во-вторых, в такие батареи может входить большое число генов и, как указывает Кауфман (Kauffman) крупномасштабные взаимодействующие сети стабильны. Стабильность их может быть усилена наличием петель обратной связи, в которых продукт активированного структурного гена, являющегося членом такой батареи, может в свою очередь поддерживать активность соответствующих генов-интеграторов. В результате образуется усилительный контур, поддерживающий тканевую дифференцировку даже в отсутствие первоначального индукционного сигнала. В-третьих, для активации сложной батареи генов, определяющих биохимическую дифференцировку какой-либо ткани, необходим всего лишь простой набор сигналов, поступающих извне. Это согласуется с простотой химического строения гормонов и индукторов.

Установлено существование регуляторных элементов, обладающих некоторыми свойствами, постулированными для регуляторов тканевой интеграции. Абрахам и Доан (Abraham, Doane) на очень выразительном примере показали, что локализованная экспрессия структурного гена, кодирующего α-амилазу в заднем участке средней кишки дрозофилы, контролируется регуляторным геном, активным в транс-положении. Как обнаружил Диккинсон (Dickinson), ген альдегидоксидазы у дрозофилы контролируется как удаленным от него регуляторным элементом, активным в транс-положении, так и, по-видимому, примыкающим элементом, активным в цис-положении. Контролирующее действие тканеспецифично. Оказалось, например, что один интересный вариант регулятора вызывает повышение уровня альдегидоксидазы в придаточных половых железах самца, но не оказывает действия на уровень этого фермента в других тканях. Этот аллель расположен вблизи структурного гена и действует, находясь в цис-положении. Диккинсон и Карсон (Dickinson, Carson) обнаружили также регуляторные элементы, активные в цис-положении, которые регулируют экспрессию гена алкогольдегидрогеназы в процессе развития у гавайских Drosophilidae. Интересно отметить, что, согласно Рабинау и Диккинсону (Rabinow, Dickinson), активный в цис-положении регуляторный элемент гена алкогольдегидрогеназы контролирует экспрессию этого гена на уровне синтеза мРНК.

В соответствии с нашими прежними обобщениями относительно регуляции развития, модель Бриттена и Дэвидсона выявляет функции переключения. Однако содержащихся в ней интегрирующих регуляторов недостаточно для управления морфогенезом. Например, передние и задние конечности позвоночных образованы из одних и тех же тканей: поперечнополосатых мышц, кожи, нервной и соединительной тканей и т. п. Если провести тонкий анализ тканей руки и ноги, то окажется, что они идентичны по характеру генной экспрессии, обладают одинаковыми тканеспецифичными батареями генов и тканевыми интегрирующими системами. Интеграция на уровне ткани действительно существует и играет важную роль в развитии, но для морфогенеза необходима интеграция иного рода, с участием иерархических систем, способных производить двоичный выбор в ответ на пространственно детерминированные типы информации. Такую интеграцию на уровне организма мы называем организменной интеграцией.

Природа организменной интеграции и ее генная регуляция наиболее четко выступают в регуляции индивидуальности сегментов у дрозофилы. Средне- и заднегрудь дрозофилы состоят в основном из одних и тех же тканей, но расположение тканей в этих двух сегментах сильно различается. Для подпрограмм, определяющих становление морфологии отдельных структур сегментов, необходима генетическая информация, детерминирующая клеточные морфогенетические процессы, перемещения клеток, изменения их формы, типы деления клеток и сродство между ними. Эти подпрограммы, обеспечивающие перевод генетической информации в морфологические структуры, пока еще мало изучены, хотя Гарсиа-Беллидо и Риполл (Garcia-Bellido, Ripoll) обсуждают некоторые мутации, оказывающие влияние на эти процессы. Это позволяет надеяться, что в будущем удастся провести более глубокий генетический анализ. Мы все еще не в состоянии установить подлинные механизмы морфогенеза, однако уже стало возможным обрисовать систему генных переключателей, при помощи которых первоначально устанавливается индивидуальность отдельных сегментов.

Существенный элемент модели, предложенной Гарсиа-Беллидо, состоит в том, что зародыш на стадии бластодермы содержит систему позиционной информации, определяющей положение по переднезадней и дорсовентральной оси. Степень экспрессии генов-активаторов, которые, возможно, соответствуют регуляторным генам extra sex comb и Poly comb, детерминируется локальным уровнем позиционной информации в небольшом участке поверхности бластодермы. Ширина полоски бластодермы, дающей начало одному сегменту, примерно соответствует диаметру трех или четырех клеток (Lohs-Schardin et al.). Уровень экспрессии гена-активатора в каждой узкой полоске клеток бластодермы детерминирует, какой из генов-селекторов (членов комплексов Bithorax или Antennapedia) должен быть в данный момент включен или выключен. Комбинация генов-селекторов, активных в каждом просегменте, регулирует экспрессию наборов генов, ответственных за реализацию подпрограмм, которые определяют морфологию отдельных сегментов. Продукты генов-активаторов действуют как репрессоры. Когда гены-селекторы комплексов ВХ-С (Bithorax) почти полностью репрессированы, активируется следующий набор генов, специфицирующих характер морфогенетических событий, ведущих к образованию структур среднегруди. По мере включения дополнительных членов комплекса ВХ-С активируются все более дивергентные наборы генов, действующих на уровне фенотипической реализации. Все это приводит к прерывистому морфологическому развитию от «исходного состояния», которым для сегментов, управляемых комплексом ВХ-С, является морфология среднегруди. Так, передне-грудь по многим признакам сходна со среднегрудью, тогда как брюшные сегменты отличаются от нее очень сильно. Наиболее резкие отклонения от исходного состояния наблюдаются в восьмом брюшном сегменте, в котором гены-активаторы бездействуют, а все члены комплекса ВХ-С активны.

Эта модель генетической регуляции обрисовывает иерархическую контролирующую систему, действующую при помощи каскада генов-переключателей. Гены-активаторы участвуют в ней в качестве контролеров, уровни активности которых детерминируются характеристиками позиционной информации в данном сегменте. Гены-селекторы дифференцированно активируются в зависимости от положения клетки в бластодерме и сами действуют как комбинаторные переключатели в завершающем наборе морфологических подпрограмм. Эта система не занимается интеграцией на тканевом уровне. Экспрессия структурных генов, входящих в те батареи, которые детерминируют ткани, несомненно, координирована с экспрессией генов, контролирующих морфогенез; однако, ввиду того что в тканях различных компартментов экспрессируются одни и те же или очень сходные генные батареи, они, вероятно, регулируются тканевыми интегрирующими системами, обособленными от организменной интегрирующей системы. Кутикулы средне- и заднегруди идентичны по составу, но различаются по морфологии. В самом общем смысле тканевые интегрирующие системы, очевидно, обеспечивают образование основных типов клеток, тогда как организменная интегрирующая система определяет становление формы. Существование этих координированных, но раздельных систем интеграции подтверждается многочисленными примерами, свидетельствующими о диссоциации между цитодифференцировкой и морфогенезом.

Краткая анекдотичная и недокументированная история

Если, как мы полагаем, существуют обособленные тканевые и организменные интегрирующие системы, то в таком случае их эволюция в процессе возникновения разнообразия Metazoa шла совершенно разными путями. Животные возникли в позднем докембрии, и никаких сведений о ранней эволюции первых Metazoa не сохранилось. Подобно Геккелю, мы должны строить наши предположения об их истории на основании того, что нам известно о ныне живущих организмах, и того, что по нашему ощущению (опасное занятие) можно считать общими принципами. Самые первые многоклеточные животные столкнулись с двумя важными проблемами: созданием и поддержанием стабильных тканей и изобретением онтогенеза. Как и при всех других эволюционных переходах, для решения этих проблем не было придумано чего-либо совсем нового. Необходимые для зачаточных процессов развития генетическая и клеточная системы уже существовали у их одноклеточных предков. Некоторые простейшие, такие как ресничные (инфузории), обладают чрезвычайно сложной морфологией; другие, такие как вольвокс, приближаются к многоклеточным организмам, поскольку их клетки дифференцированы на соматические и половые, и в процессе развития у них наблюдаются морфогенетические движения, напоминающие гаструляцию.