Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

У других организмов, приведенных в табл. 10-3, разнообразие генов, экспрессирующихся в процессе развития в виде мРНК, выше, чем у дрозофилы. Подлинный смысл этого неясен, однако вполне возможно, что различия в разнообразии представляют собой один из аспектов парадокса значений С (несоответствие между морфологической сложностью и количеством ДНК в геномах организмов).

Самые подробные исследования разнообразия мРНК, регулируемого в процессе развития, принадлежат Дэвидсону (Е. Davidson) и его сотрудникам, работавшим на морских ежах Strongylocentrotus purpuratus. Они (см. Galau et al., 1976) сравнивали разнообразие мРНК в тканях развивающихся и взрослых особей. Кроме того, эти исследователи поставили перед собой и другую задачу, возможно, более существенную, чем просто установление числа генов; они пытались оценить число генов, специфичных для определенной стадии развития, и число генов, экспрессирующихся на нескольких разных стадиях и в клетках взрослого организма. Полученные ими данные, приведенные в табл. 10-3, вскрывают любопытный факт. Число генов, экспрессирующихся как белки, в процессе развития морского ежа явно уменьшается, несмотря на резкое возрастание морфологической сложности и дифференцированности в период между началом дробления и стадией плутеуса. Так, мРНК яйца содержат последовательности, имеющиеся также и в мРНК гаструлы, но половина последовательностей, имевшихся в яйце, в гаструле отсутствует. Бластула и плутеус содержат большую часть последовательностей, имеющихся в гаструле, но, кроме того, у них есть и другие последовательности. Были изучены также три ткани взрослого морского ежа, что было просто подвигом, так как взрослый морской еж - это, в сущности, известковая коробка, наполненная гонадами и не содержащая почти ничего другого. Разнообразие мРНК в тканях взрослых особей невелико: в любой ткани число генов, экспрессирующихся в виде мРНК, составляет примерно 2-4 тысячи. Хотя разнообразие мРНК в этих тканях гораздо ниже, чем в гаструле, тем не менее около 1,5-2 тысяч имеющихся у них последовательностей те же, что и у гаструлы. Интересно, что во всех трех тканях этот набор общих с гаструлой последовательностей одинаков.

Быть может, эти 1,5-2 тысячи генов обеспечивают жизненно важные функции, тогда как остальные необходимы для зародышевого развития или поддержания особенностей клеточных типов взрослого организма? О вероятности такого заключения свидетельствуют результаты определений разнообразия мРНК у организмов с крайне простой морфологией, таких как бактерии или грибы. Разумно ожидать, что у таких организмов морфологической организации уделяется очень небольшая часть генной активности, которая направлена главным образом на синтез белков, участвующих в метаболизме, поддержании клеточной структуры и репликации клеток. Как установили Хан (Hahn) и его сотрудники, в клетках Escherichia coli содержится 2300 различных последовательностей мРНК, что, в сущности, соответствует всему геному, принимая, что транскрибируется только одна цепь ДНК. Подобным же образом Херефорд и Росбаш (Hereford, Rosbash) обнаружили, что у дрожжей - одного из самых простых эукариотических организмов - экспрессируются 3000-4000 видов последовательностей мРНК. Другой простой эукариотический организм - гриб Achlya ambisexnalis, который изучали Тимберлейк (Timberlake) и его сотрудники, - содержит примерно 2 или 3 тысячи различных последовательностей мРНК.

Существуют и другие эукариоты с такой же простой морфологией, но при этом обладающие высоким разнообразием мРНК и различиями в генной экспрессии в клетках тех очень немногих типов, из которых они состоят. У гриба Neurospora crassa, который изучали Дутта и Чаудхури (Dutta, Chaudhuri), в мицелии экспрессируются примерно 10 000 генов, а в конидиях - только около 5000. Сходным образом Фиртель (Firtel) наблюдал, что из примерно 16000 генов, экспрессирующихся на протяжении жизненного цикла слизевика Dictyostelium discoideum, примерно 11 000 специфичны для стадии дифференцировки, а около 6000 экспрессируются на всех стадиях. Эти результаты противоречат данным Зентинге (Zantinge) и его сотрудников, обнаруживших, что из примерно 10000 генов, экспрессируемых у гриба Schizophyllum commune, свыше 90% являются общими для морфологически различных типов мицелия. В целом все эти наблюдения о разнообразии генов, экспрессирующихся у простых организмов, интерпретировать трудно. Наблюдаемое высокое разнообразие, возможно, обусловлено отчасти тем, что в этих исследованиях изучалась вся клеточная РНК. Между тем, как показали недавние работы Фиртеля и его сотрудников на Dictyostelium, большая часть этих разнообразных РНК никогда не транслируется в белки. По-видимому, только половина обнаруженных Фиртелем последовательностей РНК служит матричными РНК. Если то же самое относится также к грибам Neurospora и Schizophyllum, то это поможет приблизить оценки числа экспрессируемых генов к данным о разнообразии мРНК у дрожжей и у Achlya. Наиболее разумный подход состоит, возможно, в том, чтобы рассматривать самые низкие числа генов как минимальные их числа, необходимые для обеспечения жизненно важных функций. У некоторых форм большие изменения числа экспрессируемых генов сопровождают довольно простую морфологическую дифференцировку, однако другим формам, не очень сильно отличающимся от первых по своим морфогенетическим возможностям, по-видимому, достаточно очень небольшого числа генов. И опять-таки, ввиду отсутствия надежных данных о функциях экспрессируемых генов мы полагаем, что случаи, в которых экспрессируется небольшое число генов, могут оказаться более полезными для установления минимального числа генов, действительно участвующих в морфологической дифференцировке.

Сравнительно низкое разнообразие мРНК в тканях взрослых морских ежей позволяет считать, что для поддержания дифференцированного состояния у животных необходимо относительно небольшое число генов, экспрессируемых в виде белков. К такому заключению приводят также исследования на дифференцированных тканях высших организмов, как, например, работа Хасти и Бишопа (Hastie, Bishop) на мышах и Акселя (Axel) и его сотрудников на курах. В почках, печени и головном мозге мышей и в яйцеводах и печени кур было обнаружено около 12000 различных мРНК. Как у мышей, так и у кур лишь 10-15% мРНК были специфичны для какой-либо одной ткани. Все прочие мРНК были общими для разных тканей. Данные о том, что 1000-2000 генов, экспрессируемых в виде белков, достаточно для идентификации отдельных тканей, совпадают с результатами, полученными на морских ежах; однако остается открытым вопрос о том, почему такое большое число последовательностей - около 10 000 - встречается в нескольких совершенно различных тканях.

Возможно, что на самом деле положение еще сложнее, чем это вытекает из упомянутых выше исследований. Хан и его сотрудники (Hahn et al.) изучали разнообразие мРНК в головном мозге мыши методом гибридизации, позволяющим выявлять более редкие последовательности мРНК, чем те, которые наблюдали Хасти и Бишоп, а также Ван-Несс и сотр. (Van-Ness et al.), и обнаружили 170000 различных мРНК. Следует помнить, что головной мозг - необычайно сложный орган, состоящий, возможно, из клеток нескольких сот типов и подтипов. Поэтому высокое разнообразие мРНК отражает, быть может, высокую степень разнообразия клеток в этой ткани.

Камалей и Гольдберг (Kamalay, Goldberg) обнаружили также, что в тканях высшего растения - табака - большое число генов экспрессируется в виде мРНК. В листьях, стебле, корне, лепестках, пыльниках и завязи содержится около 25000 последовательностей. Примерно две трети их содержатся во всех тканях, а 6000-10000 специфичны для отдельных тканей.

Однако нас здесь интересует генетическая стоимость онтогенеза как такового. Быть может, располагая оценками всего лишь по двум организмам, делать обобщения рискованно. Как у дрозофилы, так и у морского ежа Strongylocentrotus относительно большая доля генов, экспрессируемых в какое-то ограниченное время в течение жизненного цикла, экспрессируется специфическим образом во время онтогенеза. Ответить на главный вопрос - какая часть этих генов контролирует морфогенез - в настоящее время просто невозможно. В целом доля генов, связанных с морфогенезом, возможно, и велика, однако, сколь это не парадоксально, число генов, на самом деле регулирующих морфогенез, может быть небольшим. Многие структурные гены, необходимые для морфологических процессов онтогенеза, поставляют продукты, без которых невозможна сборка отдельных морфологических структур. Между тем эти гены практически не поставляют регуляторной информации; более того, регуляции подвержены их собственные функции. Гены этого типа нельзя, однако, считать несущественными, так как продукты некоторых из них, например тубулины, актины или белки клеточной поверхности, создают механизмы, обеспечивающие изменение формы клеток и клеточные движения, непосредственно участвующие в морфогенезе. Большая часть контрольных функций, выполняемых регуляторными генами, этими «серыми кардиналами» генетики, очевидно, состоит в том, чтобы обеспечивать гармоничную экспрессию специфичных для онтогенеза структурных генов. Будь число регуляторных генов очень велико, взаимодействия между ними были бы столь сложны, что жизнеспособные эволюционные изменения оказались бы почти невозможными. О том, что число этих генов невелико, во всяком случае в тех нескольких случаях, для которых имеются количественные оценки числа регуляторных генов, свидетельствуют приведенные в гл. 3 данные, показывающие, что у двух гавайских дрозофил форму головы детерминируют 10 или менее генов. Относительно небольшое число генов определяет основные особенности разных сегментов у дрозофилы (большая часть головных сегментов и судьба сегментов тела детерминируется 15 генами; см. гл. 8) и число пальцев у млекопитающих или число амбулакров у иглокожих (гл. 5).