Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Существуют также специфические ингибиторы клеточного деления, которые Баллог (Bullough) назвал кейлонами, однако они все еще недостаточно хорошо изучены. Эти вещества вырабатываются в самой ткани-мишени и подавляют ее же рост. Экспериментальное удаление или повреждение части органа, такого как печень, снижает уровень специфичного кейлона в крови и индуцирует компенсаторный рост. Как и в системе гормона роста, различные элементы этих регуляторных систем - образование регуляторов, их структура, число и специфичность рецепторных молекул - могут подвергнуться генетическому изменению в процессе эволюции новых морфологических пропорций.

Изменения в аллометрии могут происходить довольно постепенно, как это установил Кертен (Kurten) для гиен и других плейстоценовых млекопитающих, или очень быстро, как при выведении разных пород собак, что было сделано за несколько столетий. Сильная борзая, выведенная для охоты на волков, и пекинес с толстым приплюснутым носом, выведенный специально для того (к вящему удивлению), чтобы его можно было держать на коленях, различаются по величине и пропорциям. У собак обнаружены гены, детерминирующие такие признаки, как длина ног, длина морды и общие размеры. Эти признаки широко использовались селекционерами-кинологами. Высокие скорости изменений аллометрии известны также для линий, эволюционирующих в природных условиях, например у некоторых гавайских Drosophila (см. гл. 3).

Сведения о механизмах эволюции, которые можно почерпнуть из палеонтологической летописи, весьма ограничены. Сохранение ископаемых остатков какого-либо вида на всем протяжении его ареала в течение достаточно длительного периода его существования, с тем чтобы можно было застать периферические изоляты в момент акта видообразования, нельзя считать невероятным, однако число таких примеров будет ничтожным. Недоступны нам и генетические системы вымерших организмов, хотя некоторое представление о них, несомненно, дает изучение их ныне живущих родичей. Онтогенезы некоторых ископаемых организмов хорошо известны: личиночные стадии нескольких трилобитов, рост спирально закрученных раковин аммонитов и, наконец, яйца, молодые и взрослые особи знаменитого монгольского динозавра Protoceratops. Есть и другие примеры, но в целом палеонтологические «ясли» нельзя назвать переполненными. Палеонтологическая летопись свидетельствует о том, что скорости эволюции сильно варьируют независимо от того, оцениваем ли мы их по таксономическим изменениям, изменениям размеров или аллометрии. Это, пожалуй, один из главных вкладов палеобиологии в рассматриваемую здесь проблему, не говоря уже о тех поразительных свидетельствах о жизни в прошлом и о множестве исчезнувших миров, которые она дает. Мы освободились от концепции эволюции путем создания новых генов в результате постепенного замещения нуклеотидов и вынуждены искать механизмы эволюции на уровне организации генов и их экспрессии в процессе онтогенеза, с тем чтобы объяснить быстрые и глубокие изменения морфологии.

Глава 3

Морфологическая и молекулярная эволюция

Я думаю, что отец наш небесный выдумал человека, потому что разочаровался в обезьяне.

Марк Твен

Разные типы молекулярной эволюции

При обсуждении палеонтологической летописи и выведенных на ее основе скоростей морфологической эволюции молчаливо допускалось, что эти скорости отражают изменения генома. Существование связи между эволюцией генома и морфологической эволюцией общепризнанно, хотя в некотором смысле выражение «эволюция генома» - это тавтология, поскольку всякое эволюционное изменение требует генетических изменений, т.е. эволюции генома.

Однако истинная трудность изучения эволюции генома у эукариот состоит в том, что эукариоты - это не просто Escherichia coli в увеличенном масштабе. Геномы эукариот чрезвычайно сложны и содержат множество разнообразных генетических элементов. Эта сложность обнаруживается при попытках примирить эволюцию генома и морфологическую эволюцию. Так, например, Шопф и др. (Schopf et al.) в исследовании, посвященном влиянию сложности организации на скорости морфологической эволюции, высказали предположение, что внешняя морфологическая сложность на самом деле не может служить точным показателем уровня эволюции генома. Таким образом, хотя в морфологии таких сложных форм, как брахиоподы, может наблюдаться значительно больше эволюционных изменений, чем, например, у бактерий с их гораздо более простой морфологией, однако фактически изменения в эволюции генома бактерий за тот же промежуток времени могут быть гораздо значительнее. Или, как заключили эти авторы, «возможно, что скорости эволюции, о которых обычно сообщают палеонтологи, нельзя считать хорошим показателем эволюционных изменений генома, определяющего изучаемые признаки». Это заключение отчасти справедливо. Бактерии обладают поразительно широким спектром метаболических путей - их адаптации носят биохимический, а не морфологический характер. В отличие от бактерий эукариоты лишены подобной метаболической изобретательности. За немногими исключениями, все Metazoa используют одни и те же метаболические пути, и их адаптации затрагивают главным образом морфологию. Таким образом, изменения, зарегистрированные в палеонтологической летописи, отражают структуру и функции той части генома, которая управляет морфогенезом.

Трудно оценить относительный уровень эволюции генома, необходимый для эволюции групп, сильно различающихся по морфологической организации и сложности. Одним из подходов к этой трудной задаче послужили сравнения аминокислотных последовательностей гомологичных белков, выделенных из разных организмов. Существенный результат подобных исследований состоит в том, что эти белки из самых разных организмов обладают сходными аминокислотными последовательностями, т.е. изменения аминокислотных последовательностей белков или нуклеотидных последовательностей ДНК служат молекулярными критериями эволюционного родства независимо от морфологического сходства или таксономической принадлежности. Однако при этом все еще остается необходимым решить, какая часть молекулярной эволюции имеет отношение к морфологической эволюции. Большинство исследований эволюции на молекулярном уровне касается структурных генов, поскольку они более доступны. К структурным относятся гены, дающие в результате транскрибирования различные РНК, которые либо выступают в роли информационных, или матричных, РНК (мРНК), создавая путем трансляции аминокислотные последовательности белков, либо функционируют как рибосомные РНК (рРНК) или транспортные РНК (тРНК). Большинство структурных генов, интенсивно изучаемых в настоящее время, - это гены, которые кодируют белки, продуцируемые в больших количествах специализированными клетками, например глобины, овальбумин, актин и гистоны. Эти белки не участвуют в непосредственной регуляции действия генов; поэтому детерминирующие их гены и относят к структурным. Однако разделение генов на структурные и регуляторные в некотором смысле условно: такой белок, как lac-репрессор Е. coli, представляет собой продукт одного из структурных генов, поскольку этот белок образуется в результате транскрипции и трансляции данного гена; но его функция носит исключительно регуляторный характер, поскольку действие lac-репрессора состоит в непосредственной регуляции экспрессии специфического набора структурных генов, кодирующих определенные ферменты. Другие элементы генома, играющие важную роль в регуляции действия генов или в поддержании структуры хромосом, вообще не нуждаются в транскрибировании, для того чтобы выполнять свою функцию.

Ввиду сложности геномов эукариот эволюция этих геномов слагается из множества эволюционных событий. Изменения генома могут иметь ряд различных последствий. В табл. 3-1 представлен далеко не полный перечень событий и их последствий, участвующих в процессе эволюции многоклеточных животных.

Таблица 3-1. Разнообразие событий, происходящих при эволюции генома

Событие Последствия структура ДНК структура белка фенотип В структурных генах Замена нуклеотида (непроявляющаяся) Изменение последовательности оснований Замены аминокислоты не происходит Никаких или незначительные Замена нуклеотида (консервативная) То же Замена аминокислоты на сходную То же Замена нуклеотида (проявляющаяся) То же Замена аминокислоты От никаких до утраты или изменения функции Делеция Утрата основания(й) Делеция аминокислоты (аминокислот), нонсенс-белок или преждевременный обрыв белковой цепи От незначительных до утраты функции Дупликация, за которой следует замена нуклеотидов в дупликатном гене Дупликация последовательности оснований; изменение последовательности в дупликатном гене Новая (сходная) аминокислотная последовательность Появление новой функции с сохранением прежней функции Слияние генов Утрата промежуточных оснований Объединение полипептидов Никаких, утрата функции или новая функция В некодирующих последовательностях Замена нуклеотидов в высокоповторяющихся последовательностях сателлитной ДНК Изменение последовательности оснований Никаких ? Замена нуклеотидов в спейсерных последовательностях между генами То же То же Никаких Замена нуклеотидов в некодирующих умеренно-повторяющихся последовательностях То же То же ? Замена нуклеотидов в некодирующих последовательностях без повторов То же Никаких ? Замена нуклеотидов в интронах То же От никаких до включения аминокислот От никаких до утраты или изменения функции Замена нуклеотидов в промоторах или других регуляторах То же Никаких Изменение уровня или сроков экспрессии Изменение частоты последовательности Изменение частоты сателлитной последовательности Изменение числа копий существующей последовательности Никаких ? Изменение частоты умеренно-повторяющейся последовательности То же То же ? Изменение плоидности Увеличение большинства или всех последовательностей в одинаковое число раз То же Никаких или увеличение размеров; изолирующий механизм Перемещение последовательностей в новые участки генома Включение интрона в структурный ген Новая локализация предсуществовавшей последовательности От никаких до включения аминокислот От никаких до изменения функции Транспозиция цис-регулятора То же Никаких Изменение уровня или сроков экспрессии Перемещение блоков сателлитной ДНК из одной хромосомы в другую То же То же ? Более крупные изменения Инверсии и транслокации То же Никаких Обычно никаких или незначительные; некоторое селективное преимущество в сохранении блоков генов Перенос генов от одного вида к другому Горизонтальный перенос генов между неродственными видами Введение новой последовательности Введение нового белка От никаких до введения новой функции

Первая группа событий охватывает большую часть классической молекулярной эволюции, т. е. модификации в кодирующих участках структурных генов. Такие события состоят в изменениях нуклеотидных последовательностей и во многих случаях приводят к изменению последовательности аминокислот в белке. Изменения белка могут варьировать от минимальных до довольно радикальных и (в экстремальных случаях) приводить к утрате функции или приобретению новых функций. Значительную долю нуклеотидных замен в структурных генах можно выявить только на уровне последовательности ДНК, потому что генетический код вырожденный и замена в кодоне третьего нуклеотида в большинстве случаев дает равноценный кодон, а следовательно, никакой замены аминокислоты не происходит. Некоторые замены консервативны: они приводят к замене одной аминокислоты на другую, с ней сходную. Например, замену одной гидрофобной аминокислоты - лейцина - другой гидрофобной аминокислотой - валином - можно выявить путем анализа аминокислотной последовательности в мутантном белке, однако на фенотипическом уровне она, вероятно, никак не проявится.