Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Шрифт:
Этот хаос на следующем этапе регуляторного каскада приводит к одному из двух альтернативных результатов: либо ген elt-2 включается, и тогда клетки превращаются в кишечник, либо elt-2 остается выключенным, и тогда кишечник не формируется. Как выяснилось, выбор одного из двух исходов зависит от того, достигнет ли активность end-1 определенного порогового уровня. Однако и тут сохраняется доля неопределенности. Если активность end-1 ниже пороговой, elt-2 точно не включится и кишечника не будет. Если же активность end-1 выше пороговой, то это еще не гарантирует включения elt-2: он либо включится, либо нет. Раз включившись, elt-2 уже будет работать нормально сколько ему положено, потому что этот ген активирует сам себя.
Хаос, возникающий в работе гена end-1, объясняется отсутствием должной регуляции со стороны end-3. Если вывести из строя end-3, то результаты получаются примерно такие же, как и при мутациях skn-1, т. е. ген end-1 начинает работать хаотично, а ген elt-2 либо включается, либо нет. Если же вывести из строя end-1, то при нормально работающих skn-1 и end-3 никакой неполной пенетрантности не возникает и кишечник формируется у всех эмбрионов.
Регуляторный каскад, приводящий к включению гена elt-2 в клетках будущего кишечника. Ген skn-1 (точнее, белковый продукт этого гена) активирует гены med-1/2, end-3 и end-1. Два последних гена активируют ген elt-2, который включает сразу сотни генов, необходимых для превращения бластомеров в клетки кишечника. Несмотря на крайнюю простоту этого регуляторного каскада (по сравнению с тем, что наблюдается у других животных), в нем много «избыточности»: активация одного и того же гена осуществляется не одним, а несколькими параллельными путями. Из Raj et al., 2010.
Таким образом, в норме elt-2 включается благодаря согласованному действию двух регуляторов: end-3 и end-1, причем эти регуляторы отчасти взаимозаменимы. Если выйдет из строя end-1, то нормально работающий end-3 справится с задачей самостоятельно и включит elt-2 в положенное время. Если же забарахлит end-3, то работа end-1 дестабилизируется, но все же он сумеет включить elt-2 хотя бы у некоторых эмбрионов.
Подобные факты указывают на то, что кажущаяся «избыточность», характерная для большинства генно-регуляторных каскадов, управляющих развитием эмбриона, обеспечивает стабильность (помехоустойчивость) развития. Благодаря этой избыточности выход из строя отдельных регуляторов (в результате мутаций или неблагоприятных условий среды) может быть скомпенсирован оставшимися элементами регуляторного каскада по крайней мере у некоторых зародышей. «Случайный шум», который может при этом возникнуть в работе каскада, позволяет одним зародышам развиваться нормально, в то время как другие зародыши с точно таким же геномом могут приобрести какие-то новые фенотипические признаки. Скорее всего, это будут несовместимые с жизнью уродства, но вероятность появления полезных отклонений тоже ненулевая. В таком случае естественный отбор в дальнейшем будет закреплять у потомков этих «перспективных уродов» такие мутации, которые сделают новый путь развития более стабильным. В итоге этот новый путь окажется вписан в геном и станет вполне наследственным.
—————
Зачем нужны «ненужные» гены
Похоже, это общее правило: когда мы сталкиваемся с кажущейся избыточностью живых систем (а природа прямо-таки переполнена примерами «избыточности»), при ближайшем рассмотрении выясняется, что мы имеем дело с адаптациями, развившимися под действием отбора для повышения помехоустойчивости.
Например, именно к такому выводу пришли биологи, изучавшие «лишние» гены у дрожжей.
Чтобы узнать, зачем нужен тот или иной ген, проще всего испортить его мутацией или вовсе отключить и посмотреть, как это отразится на фенотипе. Можно двигаться и в обратном направлении: обнаружив измененный (мутантный) фенотип, пытаться выяснить, изменения какого гена (или генов) привели к таким последствиям. Раньше генетики почти всегда шли вторым путем, а в последнее время в связи с развитием генной инженерии и других современных методик все чаще используется первый путь.
При этом на удивление часто обнаруживается, что тот или иной ген (или некодирующий участок ДНК) как будто ни для чего и не нужен: его удаление не приводит ни к каким видимым последствиям и не снижает жизнеспособность организма.
Например, недавно выяснилось, что отключение гена SREB2, активно работающего в клетках мозга, не только не вредит здоровью мышей, но даже приводит к небольшому увеличению размера мозга и улучшает память (Matsumoto et al., 2008). Между тем этот ген является ультраконсервативным: белок, им кодируемый, у всех млекопитающих абсолютно одинаковый — за всю историю класса млекопитающих в нем не изменилась ни одна аминокислота. Мелкие изменения в некодирующих участках (интронах) этого гена у человека ассоциируются со склонностью к шизофрении, а небольшое увеличение экспрессии этого гена у тех же мышей вызвало у них серьезные психические отклонения, напоминающие вышеупомянутое душевное заболевание. Все косвенные признаки, казалось бы, говорят о том, что ген должен быть жизненно важным, — однако мыши с отключенным геном SREB2 чувствуют себя превосходно и даже обучаются разным мышиным премудростям быстрее своих немутантных товарок.
Как объяснить такие странные результаты? Неужели многочисленные «ненужные» гены, найденные в ходе подобных экспериментов, действительно совсем не нужны их обладателям? Но если ген становится ненужным, то он, по идее, должен быстро выходить из строя и разрушаться под действием случайных мутаций, не отсеиваемых отбором. Как тогда объяснить высокую консервативность, т. е. эволюционную устойчивость многих из этих генов, что проявляется в высоком уровне их сходства у далеких друг от друга видов?
Самый очевидный (а во многих случаях и единственно возможный) ответ состоит в следующем. Вероятно, эти гены зачем-то все же нужны, но не в тепличных условиях лаборатории, а в природе, где живым существам приходится иметь дело с переменчивыми и малопредсказуемыми факторами среды. Логично предположить, что чем постояннее и предсказуемее условия обитания, тем сильнее может упроститься генетическая программа поведения клетки (или многоклеточного организма). Именно этим объясняют, например, радикальное сокращение геномов у внутриклеточных симбиотических бактерий. Условия, в которых живут лабораторные организмы, предельно стандартизованы (стандартные среды, корма, клетки, освещенность и т. д.), что делает их существование с эволюционной точки зрения мало отличающимся от жизни внутриклеточных паразитов.
Это рассуждение, однако, хорошо бы проверить экспериментально. Именно это и проделали генетики из США и Канады, изучившие «ненужные гены» у дрожжей Saccharomyces cerevisiae (Hillenmeyer et al., 2008). У этого вида грибов можно удалить или отключить 2/3 генов без всякого снижения жизнеспособности. Правда, с одним маленьким уточнением: речь идет о жизнеспособности в стандартных «богатых» лабораторных средах, насыщенных всеми необходимыми веществами.
Авторы использовали коллекции дрожжей-мутантов, где каждый штамм содержит одну делецию (один удаленный ген) в гомозиготном или в гетерозиготном состоянии (т. е. удалены либо обе копии данного гена, либо только одна). Дрожжи, как мы помним из главы з, могут размножаться и половым путем, и бесполым (почкованием), причем способ размножения зависит от условий среды. Поэтому гетерозиготные штаммы можно долго размножать бесполым путем, не опасаясь, что они перестанут быть чисто гетерозиготными.
Использованные коллекции включают около 6 тыс. гетерозиготных штаммов — именно столько генов содержится в геноме дрожжей. В каждом из штаммов на одной из хромосом удален один ген (по одному в каждом штамме). Число гомозиготных штаммов, т. е. таких, у которых тот или иной ген удален на обеих хромосомах, меньше — около 5 тыс. Их на тысячу меньше, потому что именно столько генов — 1 тыс. — являются абсолютно необходимыми. Их удаление на обеих хромосомах смертельно для дрожжей даже при выращивании в самой благоприятной среде.
Каждый из этих штаммов тестировался в разнообразных нестандартных условиях. В среду добавляли всевозможные химические вещества, в том числе лекарства, подавляющие рост микроорганизмов, или удаляли из среды какие-нибудь важные компоненты (аминокислоты, витамины). Каждый гетерозиготный штамм был испытан в 726 различных средах, каждый гомозиготный — в 418.
Ученые проделали поистине титаническую работу: общее количество выполненных тестов превысило 6 млн! В каждом опыте рост дрожжей в нестандартной среде сравнивался с ростом того же штамма в обычных лабораторных условиях.
Ранее было известно, что гомозиготные делеции 19 % генов являются летальными (это та самая «жизненно необходимая тысяча»); еще 15 % генов повышают приспособленность в стандартной богатой среде (иными словами, их делеция в гомозиготном состоянии снижает приспособленность). Оставалось еще 66 % генов, непонятно зачем нужных.
Оказалось, что подавляющее большинство этих «ненужных» генов оказываются полезными (повышают приспособленность) хотя бы в одной из протестированных сред. Только 205 генов (3 % от общего числа) так и не раскрыли своего секрета: среди испробованных условий не нашлось таких, где наличие этих генов оказалось бы полезным. Многие гены, как выяснилось, повышают устойчивость дрожжей к различным ядам, в том числе к лекарствам, применяемым для борьбы с патогенными микробами. Обнаружилась в том числе и обширная группа многофункциональных генов, которые обеспечивают дрожжам защиту сразу от многих ядов. Изучение этих генов поможет лучше понять механизмы устойчивости микроорганизмов к лекарствам.
Любопытная ситуация сложилась с транскрипционными факторами. В геноме дрожжей около 160 генов ТФ, однако лишь пять из них являются жизненно необходимыми при росте в идеальных условиях. Практически все ТФ оказались полезными в тех или иных нестандартных условиях, а 16 из них вошли в число многофункциональных «защитников», повышающих устойчивость дрожжей сразу ко многим отравляющим веществам. ТФ — основа системы реагирования клетки на внешние стимулы. Вместе с другими сигнальными и регуляторными белками их можно уподобить органам чувств и нервной системе животных. Чем меньше транскрипционных факторов, тем «глупее» клетка. Вполне естественно, что в тепличных условиях сложные системы реагирования становятся ненужными — на этом принципе основана и быстрая редукция генов ТФ у внутриклеточных бактерий, и закономерное уменьшение размеров мозга и снижение умственных способностей у домашних животных по сравнению с их дикими предками.
Исследование, таким образом, подтвердило теоретические ожидания, основанные на классическом дарвинистском принципе: если ген существует, значит, он зачем-то нужен. Число якобы «ненужных» генов в геноме дрожжей теперь сократилось с 66 % до 3 %, да и эти оставшиеся гены с неизвестной функцией, скорее всего, тоже для чего-нибудь нужны дрожжам в естественных условиях. Те же из них, которые действительно стали ненужными, могут находиться в той или иной стадии деградации. И действительно, более трети из этих 205 генов уже не функционируют (не экспрессируются).
—————
Избыточность и эволюционная пластичность
Как мы уже отмечали в главе 4, отбор на стабильность, т. е. фактически на постоянство и неизменность, парадоксальным образом повышает эволюционную пластичность (приспособляемость) организмов, т. е. склонность к изменениям. Механизм прост. Отбор поддерживает такие мутационные изменения генно-регуляторных сетей, которые повышают устойчивость развития. Устойчивость — это гарантия того, что у организма все ноги, глаза и прочие части тела будут на своих местах, невзирая на помехи, возникающие в ходе развития. Помехи бывают трех сортов: 1) изначальная стохастика в поведении клеток, о который говорилось выше; 2) мутации, нарушающие работу тех или иных внутриклеточных систем; 3) перемены внешних условий.
Самое важное, что любой регуляторный контур, защищающий от помех одного типа, как правило, будет защищать и от помех других типов. Например, если развился регуляторный контур, снижающий выработку вещества А, когда его концентрация превышает определенный порог, то этот контур будет защищать организм от перепроизводства вещества А независимо от того, по какой причине возникла угроза перепроизводства. Мутировал ли ген, отвечающий за синтез вещества А, или чисто случайно в ходе развития слишком много клеток начали его синтезировать, или его производство подскочило из-за перегрева — все равно стабилизирующий контур сработает и приведет уровень А к норме.
Развитие таких контуров, в свою очередь, способствует накоплению скрытой изменчивости. Мутации, эффекты которых были бы вредными в отсутствие этого контура, получают возможность свободно накапливаться.
Если стабилизирующий контур вдруг выйдет из строя из-за очень сильного внешнего воздействия или из-за мутации, вся эта накопленная скрытая изменчивость может стать явной. Если какое-то из проявившихся изменений окажется адаптивным в новых условиях, отбор начнет «собирать» новые стабилизирующие контуры уже вокруг этого измененного, нового фенотипа, постепенно делая его более стабильным.
Взаимосвязь устойчивости к разным типам помех наглядно проявляется в программе EvoDevo. Например, чтобы добиться стабильного развития ног у сегментированного червячка, показанного на рисунке, нам пришлось поставить рост зачатков ног в зависимость от пяти морфогенов, образующих градиенты концентраций в сегментах тела. Без этой кажущейся «избыточности» ноги развивались сравнительно хаотично. Как бы мы ни старались, сегменты все равно получаются немного разными, поэтому в одних сегментах выручают одни, в других — другие регуляторы.