home   |   А-Я   |   A-Z   |   меню


Жизнь развивается через общий генетический набор

Сейриан Самнер

Старший преподаватель поведенческой биологии Бристольского университета, Великобритания.

Гены и сети их взаимодействия определяют фенотип организма – то, как он выглядит и как себя ведет. Одна из самых крупных проблем в современной эволюционной биологии состоит в том, чтобы понять взаимоотношения между генами и фенотипами. Преобладает теория, согласно которой все животные созданы фактически из одного и того же набора регуляторных генов – генетического пакета – и что фенотипические вариации внутри видов и между ними возникают просто потому, что эти общие для всех гены используются по-разному. Но сейчас ученые добывают огромный объем геномных данных из самых различных организмов, и эти данные велят нам отправить на покой идею о том, что в основе всей жизни на Земле лежит один набор законсервированных генов. Вместо этого нам нужно исследовать роль геномных новаций в эволюции фенотипического разнообразия и обновления.

Идея законсервированного генетического набора жизни родилась в мире evo-devo[34]. Если коротко, то эта научная дисциплина предполагает, что эволюция во всех организмах использует одни и те же ингредиенты, но каждый раз ведет сложную работу с рецептами. Экспрессия генов в разное время развития и/или в разных частях тела приводит к тому, что одни и те же гены могут быть использованы в разных комбинациях – это делает возможным развитие, генерирует фенотипическое разнообразие и обновление. Животные выглядят по-разному не потому, что у них разные молекулярные аппараты, а потому, что разные части этих аппаратов активированы в разной степени в разное время, в разных местах и в разных комбинациях. Число комбинаций в самом деле огромно, и это дает правдоподобное объяснение развитию сложных и разнообразных фенотипов даже из малого числа генов. Например, в геноме человека всего лишь 21000 генов, однако мы представляем собой, пожалуй, один из самых сложных продуктов эволюции.

Хрестоматийный пример – это суперконтроллер развития, Hox-гены: набор генов, которые говорят телам в каждой основной животной группе, где им следует отращивать головы, хвосты, руки, ноги. Hox-гены есть у мышей, червей, людей… Они унаследованы от общего предка. Другие генные наборы отвечают за развитие глаз или за цвет волос (оперения). Генные наборы стары, они присутствуют во всех животных и делают для всех животных примерно одно и то же. Нельзя отрицать, что законсервированный геномный материал формирует важную часть молекулярных строительных блоков жизни.

Однако сейчас мы можем de novo, то есть с самого начала, секвенировать геномы и транскриптомы (гены, работающие здесь и сейчас) любого организма. У нас есть последовательности для водорослей, питонов, зеленых морских черепах, рыбы фугу, пестрых мухоловок, утконосов, коал, обезьян бонобо, гигантских панд, дельфинов-афалин, муравьев-листорезов, бабочек-монархов, тихоокеанских устриц, пиявок – список растет по экспоненте. И каждый новый геном несет в себе набор уникальных генов. У круглых червей 20 % генов уникальны. В каждой линии муравьев содержится примерно 4000 новых генов, но только 64 гена сохраняются во всех 7 муравьиных геномах, которые к настоящему времени прослежены.

Многие из этих уникальных («новых») генов оказываются важными в эволюции биологических инноваций. Морфологические различия между близкородственными пресноводными полипами Hydra могут объясняться маленькой группой новых генов. Новые гены оказываются важными у рабочих пчел, ос и муравьев. Гены, специфичные для тритонов, могут играть роль в их поразительной способности регенерировать ткани. У людей новые гены ассоциируются с такими тяжелыми заболеваниями, как лейкозы и болезнь Альцгеймера.

Жизнь геномно сложна, и эта сложность играет важнейшую роль в развитии многообразия жизни. Легко увидеть, как инновация может улучшаться путем естественного отбора: например, как только появился первый глаз, он сразу стал подвергаться суровому отбору, чтобы увеличить приспособленность (способность к выживанию) его хозяина. Сложнее объяснить, как появляются новации, особенно из законсервированного геномного набора. Дарвиновская эволюция объясняет, как организмы и их признаки развиваются, но не как они возникли. Как появился первый глаз? Или, более точно, как впервые появился главный регуляторный ген для развития глаза у всех животных? Способность к развитию новых фенотипических признаков – будь то морфологические, физиологические или поведенческие – играет решающую роль для выживания и адаптации, особенно в меняющейся (или новой) среде.

Законсервированный геном может генерировать новации через переустановку (внутри или между генами), перемены в регуляции или геномную дупликацию. Например, геном позвоночных был полностью повторен дважды за свою эволюционную историю, а у лососевых рыб в дополнение к этому произошло еще два полных удвоения генома. Удвоения выводят из-под отбора по функционированию одну из генных копий, позволяя этой копии мутировать и развиваться в новый ген, тогда как другая копия действует как обычно. Законсервированные геномы также могут хранить в себе много латентных генетических вариаций – исходного материала для развития новаций, – которые не подлежат отбору. Нелетальная вариация может пребывать в геноме в состоянии покоя, не экспрессируясь или экспрессируясь в такое время, когда это не повлечет летальный эффект для фенотипа. Молекулярный аппарат, регулирующий экспрессию генов и белков, опирается на минимальное количество информации, правил и инструментов: факторы транскрипции опознают последовательности только немногих базовых пар как связок, что дает им огромный потенциал пластичности в местах связки. Хорошим источником геномных обновлений являются плейотропные перемены во многих законсервированных генах с использованием разных комбинаций транскрипции, трансляции и/или посттрансляционной активности. Например, эволюция формы клюва у дарвиновских вьюрков контролируется плейотропными изменениями, вызванными изменениями в сигнальных схемах законсервированного гена, контролирующего развитие кости. Способность к комбинациям даже ограниченного генетического набора дает ему громадный потенциал для развития новаций на базе старого аппарата.

Однако наличие уникальных генов во всех исследованных на сегодня эволюционных линиях говорит нам о том, что в фенотипической эволюции рождение генов de novo важнее, чем перекомпоновка старых ингредиентов. Чрезмерное обилие некодирующих ДНК в геномах становится менее загадочным, если они представляют собой плавильный котел, в котором геномы исследуют и создают новые гены и генные функции – и, в конечном счете, фенотипические инновации. Сейчас принято считать, что геномы постоянно производят новые гены, но только немногие из них становятся действующими.

Наша история началась просто: вся жизнь является продуктом мягкого эволюционного обновления общего молекулярного набора. Сейчас настало невообразимое время, когда мы можем распаковать молекулярные строительные блоки любого существа. И эти новые данные потрясают. Сюрприз? Не совсем. Возможно, самый важный урок из всего этого состоит в том, что никакая теория не является совершенно правильной, что хорошие теории – это те, которые способны к развитию и восприимчивы к инновациям. Давайте развивать теории (сохраняя те их части, которые доказали свою правильность), а не отправлять их в отставку.


Научное познание мира никогда не будет иметь пределов Мартин Риз | Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс | Совершенно случайные мутации Кевин Келли



Loading...