Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Шрифт:
Выяснилось, что на стадии куколки yellow работает как раз в тех участках крыла, где впоследствии появятся темные пятна. Следовательно, у этого вида, как и у других дрозофил, формирование пятен идет под управлением yellow. Однако у D. guttifera распределение областей экспрессии yellow по крылу отличается особой сложностью.
Нужно было понять, что заставляет yellow работать в одних частях крыла и не работать в других. Зная, что узоры на крыльях дрозофил зависят от некодирующих регуляторных участков yellow, авторы принялись искать эти участки [68] . Они отсеквенировали фрагмент генома D. guttifera длиной в 42 тыс. пар нуклеотидов, включающий ген yellow и его окрестности. Затем они подразделили некодирующие области на 28 перекрывающихся кусочков и стали изучать их свойства при помощи генно-инженерных экспериментов. Каждый кусочек по очереди присоединяли к гену зеленого флуоресцирующего белка (GFP) и вставляли эту конструкцию в геном D. guttifera, а затем смотрели, где будет вырабатываться GFP Таким непростым способом удалось выявить регуляторный участок длиной в 277 пар нуклеотидов, который заставляет присоединенный к нему ген включаться как раз в тех 16 точках развивающегося крыла, где у диких мух D. guttifera включается ген yellow и формируются пятна на жилках. Этот регуляторный участок находится на расстоянии около 5 тыс. пар нуклеотидов перед началом кодирующей части yellow. Таким образом, один-единственный регуляторный элемент контролирует формирование всех 16 пятен.
68
Речь идет о поиске сайтов связывания транскрипционных факторов — коротких участков ДНК в окрестностях белок-кодирующего гена, к которым прикрепляются специальные белки-регуляторы (транскрипционные факторы), влияющие на экспрессию гена. Найти эти сайты технически очень трудно, в частности потому, что их «смысл» зависит не только от последовательности нуклеотидов в самом сайте, но и от нуклеотидного окружения («контекста»).
Тем же способом был выявлен еще один регуляторный участок, который отвечает за серые «тени» между жилками. Этот участок длиной в 414 пар нуклеотидов расположен в первом интроне гена yellow. Если присоединить его к гену светящегося белка и вставить в геном D. guttifera, у куколки начинают светиться те участки крыла, где должны быть «тени».
Следовательно, всего лишь два регуляторных элемента определяют все распределение областей экспрессии yellow по крыловой пластинке (хотя в принципе каждое пятнышко могло бы определяться своим собственным регуляторным элементом). Первый из обнаруженных элементов авторы назвали vs (vein spot — «пятна на жилках»), второй — iv (intervein shade — «тени между жилками»). Эти элементы действуют как переключатели. Первый из них срабатывает там, где должны сформироваться пятна, второй — в местах образования будущих «теней».
Таким образом, «нижняя» часть регуляторного каскада была в общих чертах расшифрована. Распределение пятен по крылу определяется элементами vs и iv. Срабатывание переключателей vs и iv активирует ген yellow. Ген yellow включает синтез меланина. Синтез меланина приводит к формированию пятна на крыле.
Этого уже было бы достаточно для хорошей статьи. Но авторы не остановились на достигнутом и продвинулись еще на один шаг вверх по регуляторному каскаду. Им удалось выяснить, на какой сигнал реагирует переключатель vs — что заставляет его включаться в нужном месте и в нужное время.
Не имея никаких подсказок, подступиться к такой задаче непросто, ведь в принципе присоединяться к элементу vs, запуская экспрессию yellow, мог бы любой из многих сотен регуляторных белков (транскрипционных факторов), а на работу этого неизвестного белка наверняка влияют еще какие-то факторы. Авторы, однако, добыли подсказку, изучая отклонения от нормального хода развития в лабораторной популяции мух D. guttifera. Они заметили, что пятна жестко привязаны к определенным опорным точкам на крыловой пластинке. Такими опорными точками являются поперечные жилки и места их соединения с продольными жилками, окончания продольных жилок, а также колоколовидные сенсиллы — рецепторы, расположенные на продольных жилках. Если у мутантной мухи на крыле появляется новая сенсилла или новое место соединения жилок, это всегда приводит к формированию нового пятна. Если, наоборот, сенсилла теряется, то исчезает и соответствующее пятно.
Следовательно, сложный рисунок на крыльях связан с предшествующей «разметкой» крыловой пластины, которая определяет ее структуру. Это позволило сузить круг поиска. Генетическая разметка развивающегося эмбриона или куколки осуществляется небольшим набором генов — ключевых регуляторов развития. Возможно, какой-то из них взаимодействует — прямо или опосредованно — с переключателем vs.
Чтобы найти искомый ген, авторы пересадили элемент vs, присоединенный к гену GFP, в геном мухи D. melanogaster — классического лабораторного объекта, чья генетика развития изучена гораздо лучше, чем у D. guttifera. Оказалось, что у D. melanogaster элемент vs срабатывает у основания крыла и на поперечных жилках, но не работает вблизи колоколовидных сенсилл. Точно так же распределены у этого вида и области экспрессии гена wingless — одного из важнейших регуляторов индивидуального развития. На ранних этапах онтогенеза членистоногих wingless участвует в глобальной разметке туловища, формировании конечностей, определяет границы сегментов. На поздних стадиях развития куколки wingless занят менее грандиозными проектами, участвуя в том числе в оформлении некоторых деталей строения крыльев.
Пересаженный от D. guttifera элемент vs сработал в крыле куколки D. melanogaster ровно в тех местах, где активен ген wingless. Это делает wingless хорошим кандидатом на роль «входного сигнала», активирующего vs и включающего yellow. Авторы проверили, как распределены области экспрессии wingless в крыле D. guttifera, и убедились, что все сходится: у вида с пятнистыми крыльями wingless на стадии куколки работает как раз в тех участках крыла, где позже формируются пятна.
Чтобы окончательно убедиться в том, что активность wingless является достаточным условием для появления пятен у D. guttifera, авторы провели еще одну серию генно-инженерных экспериментов. На этот раз в эмбрионы D. guttifera впрыскивали ген wingless, взятый у D. melanogaster и соединенный с регуляторным участком, заимствованным у дрожжей. Смысл заключался в том, чтобы получить трансгенных мух D. guttifera, у которых области экспрессии wingless в крыльях были бы расположены как-то иначе. В конце концов такие мухи были получены: у них возникла новая область экспрессии wingless вдоль одной из продольных жилок. В полном соответствии с теоретическими ожиданиями у этих мух появилась и новая темная полоса на крыльях, идущая вдоль этой жилки.
Авторы также проанализировали пигментацию крыльев, экспрессию wingless и наличие или отсутствие регуляторного элемента vs у других видов дрозофил. В итоге удалось восстановить ход эволюции узора на крыльях.
Слева — эволюционное дерево, показывающее родственные отношения между видами дрозофил с различными узорами на крыльях. Самый сложный орнамент — у D. guttifera. Справа — схема эволюции узора. Из Werner et al., 2010.
Исходно у дрозофил ген wingless экспрессировался вдоль поперечных жилок, но не работал у концов продольных жилок и в колоколовидных сенсиллах. В гене yellow не было регуляторного элемента vs, способного реагировать на wingless, а крылья не имели орнамента. Это исходное состояние сохранилось у D. melanogaster. Затем в одной из групп дрозофил появился элемент vs, что привело к формированию связи между экспрессией wingless и пятнами на крыльях [69] . Первые темные пятна поэтому появились там, где исходно экспрессировался wingless, — вдоль поперечных жилок.
69
Регуляторные элементы, подобные vs, могут иметь достаточно простое строение, обычно это некий расплывчатый, нестрогий нуклеотидный «мотив». Такие простые мотивы время от времени могут возникать в результате мутаций «из ничего», т. е. из случайных последовательностей нуклеотидов в нефункциональных (и потому не контролируемых очищающим отбором) участках ДНК. Впрочем, чаще они, по-видимому, возникают в результате дупликаций и транслокаций (перемещений) уже имеющихся регуляторов. Деятельность мобильных генетических элементов (о которых мы рассказывали в «Рождении сложности») резко повышает вероятность таких событий.
После того как пигментация стала зависеть от wingless, у эволюции появилась возможность создавать новые узоры, меняя экспрессию этого гена. Ген wingless имеет сложную и пока еще слабо изученную систему регуляции, но в целом его работа ориентируется на базовую разметку и ключевые «опорные точки» развивающегося организма. Эта привязанность wingless к опорным точкам сохранилась и в ходе дальнейших изменений его экспрессии в крыльях. У некоторых видов возникли новые области экспрессии wingless на концах продольных жилок, и там появились пятна. Только у одного вида — D. guttifera — орнамент крыльев усложнился еще сильнее за счет появления дополнительных областей экспрессии wingless в шести колоколовидных сенсиллах.