Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Так или иначе, знакомство с клеточными технологиями регуляции генов не оставляет места для сомнений в том, что в поведении клеток присутствует неустранимый элемент случайности. ТФ ищет свой сайт связывания методом случайного поиска, поэтому время включения того или иного гена у двух идентичных клеток, находящихся в абсолютно одинаковых условиях, может заметно различаться. Следовательно, и онтогенез, контролируемый генетической программой поведения клетки, должен «по умолчанию» быть довольно стохастичным процессом.

Помехоустойчивость и избыточность

Если онтогенез по умолчанию нестабилен, возникает вопрос, почему же у реальных организмов мы видим, как правило, довольно точное соответствие между генотипом и фенотипом. Многим фенотипическим различиям между особями соответствуют вполне определенные генетические различия (напомним, что это явление называется наследственной изменчивостью). Правда, соответствие не абсолютное, а вероятностное. При одном и том же генотипе фенотип может получиться разным из-за различающихся условий развития. Например, если один брат-близнец будет заниматься спортом, а другой нет, то у первого будет лучше развита мускулатура. Это называют модификационной изменчивостью. Но даже и в одинаковых условиях братья все равно будут чуть-чуть отличаться. Это уже стохастическая изменчивость, как у четырех- и пятилепестковых цветочков на одной и той же ветке сирени.

Стохастическая изменчивость обычно настолько мала, что совсем не бросается в глаза и часто игнорируется биологами. Особенно ничтожна она у животных: у растений стохастическая изменчивость проявляется сильнее, как показывает пример с сиренью. Подавление стохастической изменчивости происходит из-за того, что реальные генетические программы развития буквально до отказа набиты стабилизирующими регуляторными контурами, основанными на обратных связях. Адаптивный смысл этих генно-регуляторных сетей как раз в том и состоит, чтобы свести элемент случайности к минимуму и сделать развитие максимально стабильным (помехоустойчивым) [94] .

94

Типичное проявление стохастической изменчивости у двусторонне-симметричных животных — флуктуирующая асимметрия. Так называют случайные различия между правой и левой половинами тела. То, что у нас сердце слева, а печень справа — не случайная, а закономерная асимметрия. А вот если у вас, к примеру, правый глаз чуть меньше левого или нос кривоват — это уже пример флуктуирующей асимметрии. Степень ее выраженности зависит, во-первых, от отягощенности слабовредными мутациями, во-вторых — от степени неблагоприятности условий, в которых протекало развитие. Оба фактора могут нарушить нормальную работу стабилизирующих регуляторных контуров, что и приводит к более явному проявлению онтогенетической стохастики.

Попытки спроектировать какое-нибудь интересное существо в программе EvoDevo поначалу всегда приводят к нестабильному результату. Первый успешный набор правил (генотип) создает нужное нам существо не всегда, а лишь изредка. При этом даже лучший из вариантов фенотипа, как правило, будет далек от того идеала, к которому мы стремились, а остальные и вовсе получатся уродцами. Чтобы улучшить результат, т. е. уменьшить стохастичность онтогенеза и стабилизировать нужный вариант фенотипа, приходится вносить в генотип стабилизирующие правила, основанные на отрицательных обратных связях и дополнительных регуляторах. Эти дополнения на первый взгляд могут показаться «избыточными». Но без них не обойтись. Например, если клетки при таких-то условиях начинают выделять морфоген, даже не рассчитывайте, что его количество будет одним и тем же всякий раз при запуске развития зиготы. Если для нормального развития необходимо, чтобы количество морфогена было постоянным, придется добавить в генотип специальные стабилизирующие правила, примерно такие: если концентрация морфогена А больше 0,5, уменьшить производство морфогена А на 10 %. Это и есть отрицательная обратная связь: если чего-то стало слишком много, нужно принять меры, чтобы его стало меньше. Увеличение показателя должно стимулировать его уменьшение. Иначе все пойдет вкривь и вкось.

Пример «онтогенетической стохастики» в программе EvoDevo. Генотипы, содержащие недостаточное количество стабилизирующих обратных связей, дают нестабильный результат. При этом желаемый («хорошо приспособленный») фенотип будет получаться лишь изредка. Чтобы перейти от нестабильного фенотипа (вверху) к более стабильному (внизу), нам пришлось усложнить генотип (программу развития) на 50 %.

Чтобы стабилизировать развитие «правильного» признака — в модели это признак, который нам нравится, а в природе это признак, повышающий приспособленность, — приходится усложнять программу развития. Например, чтобы перейти от нестабильного фенотипа, показанного на рисунке сверху, к более стабильному, показанному внизу, нам пришлось увеличить количество правил, составляющих генотип, на 50 %. В программе EvoDevo это делаем мы, пользователи. В природе этим занимается дарвиновский эволюционный механизм, основанный на мутациях и отборе. Адаптивное преимущество получают те генотипы, которые производят оптимальный (хорошо приспособленный) фенотип с наибольшей вероятностью и с наименьшей зависимостью от всякого рода случайностей — внешних или внутренних. Генотип, обеспечивающий развитие оптимального фенотипа лишь при температуре от 20 до 21 °C, проиграет в конкуренции генотипу, генерирующему такой же фенотип в более широком диапазоне температур (если только эволюция идет не в термостате). Вместо температуры можно сюда подставить любые факторы внешней или внутренней среды и вообще любые «помехи», в том числе связанные с изначально присущей онтогенезу стохастикой, о которой говорилось выше.

Введение дополнительного правила в генотип модельного существа аналогично появлению в ходе эволюции нового сайта связывания ТФ, ставящего активность одного из генов — регуляторов развития в зависимость от какого-нибудь нового фактора. Например, от концентрации морфогена, который ранее не влиял на этот ген. Это все равно что добавить дополнительное условие в оператор условного перехода (команду «если… то…») в компьютерной программе.

—————

Избыточность и обратные связи в работе шпемановского организатора

Главная функция организатора Шпемана состоит в создании стабильной дорзовентральной (спинно-брюшной) разметки эмбриона. Там, где концентрация активных белков из группы BMP (bone morphogenetic proteins) минимальна, клетки наружного слоя зародыша превращаются в нервные. Формируется нервная пластинка — зачаток центральной нервной системы. Там будет спинная сторона. Нервная пластинка в свою очередь индуцирует развитие других органов и структур. Остальные клетки наружного слоя под действием морфогенов BMP — а их больше на будущей брюшной стороне зародыша — становятся клетками эпителия. Спинной (шпемановский) организатор производит белок-морфоген хордин, который блокирует действие BMP. Там, где много хордина, мало активных молекул BMP, в результате в этой области зародыша формируется спина.

Казалось бы, вот и хорошо: система из двух взаимодействующих морфогенов, BMP и chordin, вполне достаточна для дорзовентральной разметки зародыша. Какие-то дополнительные ухищрения здесь, наверное, не нужны. Не тут-то было!

Как выяснилось, помимо основного регуляторного взаимодействия «хордин блокирует BMP» в создании дорзовентральной полярности у позвоночных участвует целый ряд морфогенов и связей между ними. Спинной организатор «общается» с брюшным организующим центром посредством белков-морфогенов, выделяемых в межклеточное пространство. Все эти морфогены тем или иным способом влияют на дорзовентральный градиент BMP, усиливая или ослабляя его. Отрицательные обратные связи, которыми изобилует эта регуляторная сеть, делают градиент BMP устойчивым к разнообразным помехам и нарушениям. Например, если производство BMP по какой-то причине увеличивается, это приводит к росту экспресии белка Sizzled, который подавляет активность белка Tolloid, который в свою очередь выводит из строя хордин, инактивирующий BMP (см. рисунок ниже). Получается типичный регуляторный контур, основанный на отрицательной обратной связи: больше BMP -> больше Sizzled -> меньше Tolloid -> больше Chordin -> меньше BMP.

Благодаря наличию нескольких таких контуров градиент BMP оказывается на редкость устойчивым. Генно-инженерные эксперименты показали, что для того, чтобы серьезно нарушить этот градиент — и получить, например, полностью «дорзализованный» эмбрион, у которого весь наружный слой клеток превращается в нервную ткань, или полностью «вентрализованный» эмбрион вообще без нервной пластинки, — недостаточно вывести из строя какой-то ключевой ген-регулятор. Даже без хордина, даже без BMP4 дорзовентральный градиент все равно худо-бедно формируется за счет дополнительных регуляторных контуров и морфогенов-«дублеров». Нужно выключить сразу 3–4 гена, чтобы нарушения развития стали действительно катастрофическими (De Robertis, 2009). Вот что значит настоящая помехоустойчивость!

Разумеется, естественный отбор не стал бы создавать столь поразительный запас прочности только на случай прихода любопытных биологов, которые начнут отключать в эмбрионах гены. В природе и без нас хватает неприятных неожиданностей: перемены климата и химического состава среды, мутации, неудачные комбинации родительских генов… Все это может нарушить работу тех или иных генных систем. Поэтому в общем случае генотипы, обеспечивающие более помехоустойчивое развитие, получают преимущество над генотипами, срабатывающими только в тепличных условиях. Ну а если жизнь становится более предсказуемой — как, например, у внутриклеточных паразитов — может произойти редукция стабилизирующих систем и упрощение генетической программы развития.

—————

Изменения регуляторных участков генов — регуляторов развития играют важнейшую роль в эволюции многоклеточных. С несколькими примерами мы познакомились в главе 5. Но до сих пор мы исходили из негласной презумпции однозначного соответствия между генотипом и фенотипом: изменился геном — изменился признак.

Пора внести важное уточнение. Мы должны помнить, что само это соответствие не с неба падает. По умолчанию оно вовсе не однозначно, а для того, чтобы оно стало таковым, необходимы специальные стабилизирующие адаптации, которые должны постепенно развиваться в ходе эволюции.

Это согласуется с идеей о творческой роли стабилизирующего отбора, которую развивал великий советский биолог И. И. Шмальгаузен (1884–1963). Отбор на стабильность должен вести к усложнению программы развития. Отбор, просто отсеивающий уродцев (отклонения от «нормы», т. е. от оптимального в данных условиях фенотипа), в перспективе способствует развитию новых генно-регуляторных контуров, повышающих стабильность воспроизведения «нормального» фенотипа.

Регуляторная сеть, обеспечивающая дорзовентральную (спиннобрюшную) разметку эмбриона шпорцевой лягушки Xenopus. Из De Robertis, 2009.

Генотип определяет не фенотип как таковой, а норму реакции, т. е. диапазон возможных фенотипов, которые могут быть реализованы при данном генотипе. «Выбор» конкретного фенотипа часто зависит от условий, в которых происходит развитие. Но даже генетически идентичные особи, развивающиеся в одинаковых условиях, все равно будут хоть немного, но разными. И чем хуже у них работают стабилизирующие генно-регуляторные контуры, тем сильнее будет случайная вариабельность.

Наличие стохастической составляющей в генетической программе развития ярко проявляется в неполной пенетрантности многих мутаций. Суть этого явления, замеченного еще в 1925 году выдающимися генетиками Н. В. Тимофеевым-Ресовским (1900–1981) и Д. Д. Ромашовым (1899–1963), состоит в том, что одна и та же мутация у одних особей проявляется в фенотипе, а у других нет. Это зависит от условий среды и «генетического контекста», т. е. от других генов в геноме (что неудивительно), но даже с поправкой на оба эти фактора многие мутации все равно имеют нестабильный фенотипический эффект.

О молекулярных механизмах неполной пенетрантности известно немного. Их изучение осложняется тем, что генные сети, управляющие развитием, обычно крайне громоздки и на первый взгляд избыточны. Входящие в их состав гены связаны сложнейшей сетью взаимодействий, содержащей многочисленные петли положительных и отрицательных обратных связей, так что трудно понять, где именно в этой паутине возникает непредсказуемость.

Идеальный объект для таких исследований — наш старый знакомец червь Caenorhabditis elegans, у которого генетическая регуляция развития предельно упрощена, как, впрочем, и само развитие [95] .

95

Мы немного рассказали о развитии C. elegans в книге «Рождение сложности» в разделе «Развитие червей начинается с хвоста». Там говорилось, что важнейшим организатором в развитии C. elegans является эмбриональная клетка P2, выделяющая белок-морфоген Wnt, который определяет передне-заднюю полярность зародыша. Достаточно прикоснуться клеткой P2 к какому-нибудь месту зародыша, чтобы в этом месте начал формироваться хвост (подобно тому как центральная нервная система у позвоночных начинает формироваться там, где на эмбрион подействуют морфогены, выделяемые шпемановским организатором).

Биологам из Массачусетского технологического института и Принстонского университета (США) удалось выяснить причины неполной пенетрантности нескольких мутаций гена skn-1 (Raj et al., 2010). Эти мутации приводят (или не приводят, так как пенетрантность неполная) к тому, что потомки бластомера (зародышевой клетки) E, которые должны стать клетками кишечника, остаются недифференцированными, и кишечник у эмбриона не формируется.