Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Какие классы генов исследователь считает существенными для развития, зависит от особенностей развития изучаемого организма. Важно помнить, что дрозофила - голометаболическое насекомое, т.е. ее развитие сопровождается полным превращением, и личинка по своей морфологии, физиологии и поведению совершенно не похожа на взрослую муху. При этом личиночные структуры не превращаются непосредственно в соответствующие имагинальные структуры. Муха - это своего рода феникс: большая часть ее личиночных тканей распадается и поглощается тканями взрослой особи, развивающимися из имагинальных дисков, находящихся в личинке. Таким образом, в этом организме на самом деле имеются две морфогенетические системы, в которых может осуществляться генная функция, играющая решающую роль в развитии взрослой особи. Первая система действует во время эмбриогенеза, когда происходит образование составных частей и морфологии личинки. Вторая система определяет становление, поддержание и пролиферацию имагинальных дисков в личинке и их дифференцировку, приводящую к формированию взрослой особи.

Первая из этих систем - личиночное развитие - состоит в действительности из двух разделенных во времени систем действия генов. Содержащаяся в яйце информация, необходимая для ранних стадий развития, представляет собой продукты действия генов во время оогенеза. По прошествии этого периода зависимости от генных продуктов, созданных во время оогенеза, в зародыше начинается активная транскрипция, поставляющая информацию, необходимую для дальнейшего развития. Таким образом, у дрозофилы в набор важных для развития генов должны входить гены, наследуемые по материнскому типу (т.е. функционирующие во время оогенеза), гены, функция которых имеет жизненно важное значение в течение зародышевого или личиночного развития, и гены, специфически воздействующие на развитие имагинальных дисков. Для дрозофилы сделаны оценки генов всех этих трех классов.

Ганз (Gans) и его сотрудники, а также Молер (Moller) выделили большое число мутаций с материнским эффектом для генов, локализованных в Х-хромосоме (обсуждение хромосом дрозофилы см. гл. 3), а Раис и Герен (Rice, Garen) выделили такие мутации, локализованные в третьей хромосоме. Существуют два типа мутаций с материнским эффектом. В первом случае самки производят морфологически аномальные яйца (например, с дефектами яйцевой оболочки), а во втором - яйца, которые кажутся нормальными, но не могут завершить развитие. Нас интересуют только мутации этого последнего класса. Как видно из табл. 10-1, Ганз выявил 42 мутации этого класса, Молер - 146, а Раис и Герен - 6. Проведенные затем тесты на генетическую комплементацию показали, что все эти мутации распадаются на 30, 60 и 5 отдельных групп комплементации соответственно, т. е. некоторые из этих мутаций возникли в результате повторных попаданий в один и тот же ген.

Таблица 10-1. Оценки общего числа генов с материнским эффектом в геноме дрозофилы

Авторы Хромосома Общее число мутаций Число мутировавших генов n0     Оценка общего числа генов Ганз X 42 30 53 83 Молер X 146 60 38 98 Раис и Герен Третья 6 5 8 13 Результаты экстраполяции Все — — — 117

Прежде чем приступить к анализу этих мутаций, следует напомнить предостережение, высказанное Томасом Гексли: «Математику можно сравнить с наисовершеннейшей мельницей, которая размелет ваш продукт в самую тонкую муку, но при этом то, что вы получите, зависит от того, что вы положите на жернова...». Используя допущения о случайном размещении генов и их одинаковой мутабильности, число немутировавших генов можно оценить при помощи распределения Пуассона. При этом исходят из допущения высокой вероятности того, что у большинства генов данного класса не возникло ни одной мутации, у небольшого числа возникло по одной мутации, а вероятность двух мутаций на ген еще меньше. Количественная зависимость между группами генов с отсутствием мутаций, одной и двумя мутациями описывается выражением

где n1 - число генов, мутировавших один раз, n2 - число генов, мутировавших дважды, и n0 - число генов, у которых не обнаружено ни одной мутации. Численные значения для n1 и n2 можно получить по данным комплементации для любого класса.

На основании данных Ганза и его сотрудников n0 получается равным 53, а по данным Молера п0 равно 38 при оценках общего числа генов в Х-хромосоме, наследуемых по материнскому типу, равных 83 и 98 соответственно. С учетом характера оценок совпадение двух последних чисел следует считать очень хорошим; можно принять, что в Х-хромосоме имеется примерно 90 генов, жизненно важных для эмбриогенеза, и что продукты этих генов образуются в результате их активности во время оогенеза. Точно так же из данных Раиса и Герена можно получить n0=8 и nобщее=13 для генов этого класса, локализованных в третьей хромосоме. Расхождения между оценками для Х-хромосомы и третьей хромосомы интересны, но объяснить их нелегко, потому что третья хромосома содержит примерно вдвое больше ДНК, чем Х-хромосома, и такое несовпадение нельзя отнести за счет различий в величине изученных выборок. Поэтому создается впечатление, что гены с материнским эффектом находятся преимущественно в Х-хромосоме.

Если допустить, что вторая хромосома - аутосома, сходная по содержанию ДНК с третьей хромосомой, - сходна с ней также и по своей организации, то в ней также, вероятно, имеется 13 генов с материнским эффектом. Последняя аутосома - очень маленькая четвертая хромосома - судя по ее относительным размерам, должна содержать один ген с материнским эффектом. Если суммировать все эти оценки, то получится, что в геноме дрозофилы имеется в общей сложности примерно 117 генов с материнским эффектом, причем 90 из них локализованы в Х-хромосоме и, судя по результатам изучения третьей хромосомы, - еще примерно 27 таких генов локализовано в аутосомах.

Для того чтобы оценить число генов, необходимых для зародышевого развития, но не относящихся к классу генов с материнским эффектом, нам придется прибегнуть к несколько иному методу. Можно взять случайную выборку летальных мутаций и определить число тех из них, которые детальны в период зародышевого развития. Затем путем экстраполяции можно установить общее число таких деталей во всем геноме, используя долю эмбриональных деталей среди всех летальных мутаций в случайной выборке для определения общего числа генов в данном геноме, способных давать летальные мутации. Мы здесь и пользуемся этим методом, с той разницей что наши случайные выборки летальных мутаций были взяты из двух маленьких, но репрезентативных участков генома, насыщенных летальными мутациями.

Первое требование состоит, конечно, в том, чтобы получить оценку общего числа генов в геноме дрозофилы. Джадд (Judd) и его сотрудники в результате интенсивного генетического анализа небольшого участка Х-хромосомы установили, что число полос в политенных хромосомах дрозофилы почти соответствует числу генов, определенному методом генетической комплементации. Общее число полос, различимых на политенных хромосомах Drosophila melanogaster (рис. 10-1), равно 5000, а по разумной оценке общее число генов также равно 5000. Излишне говорить, что с тех пор как в 1972 г. была впервые предложена эта оценка, она горячо оспаривалась генетиками, но дальнейшие исследования продолжали подтверждать примерное соответствие между числом полос и числом генов.

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.