Регуляторные гены и гетерохроматин

В течение двух последних десятилетий все большее число ис­следователей утверждались в мысли, что в морфологической эво-

люции и видообразовании ведущая роль принадлежит гораздо более тонким механизмам реконструкции генома, чем геномные мутации или хромосомные перестройки. Обшая ситуация в совре­менной эволюционной генетике характеризуется тем, что «мы освободились от концепции эволюции путем... постепенного за­мещения нуклеотидов и вынуждены искать механизмы эволюции на уровне организации генов и их экспрессии в процессе онто­генеза» (Рэфф, Кофмен, 1986. С. 74).

В 70-е годы широкую поддержку обрела идея Р. Бриттена и Э. Дэвидсона (Britten, Davidson, I960, 1971) о зависимости мак­ро- и всей прогрессивной эволюции от мутаций регуляторных ге­нов в противовес микроэволюции, вызываемой изменчивостью структурных генов. Основная заслуга в экспериментальном дока­зательстве этого положения принадлежит А. Вилсону и М. Кин­гу (King, Wilson, 1975). Эти американские генетики провели срав­нительное исследование 44 белков человека и шимпанзе как наиболее близкого с молекулярно-генетической точки зрения че­ловеку животного и выявили высокий процент их сходства, сопос­тавимый с таковым у видов-двойников. Авторы высказали пред­положение, что относительно малочисленные генетические изменения, лежащие в основе разобшения этих видов, происхо­дили в регуляторной системе яйцеклетки, т.е. выше уровня струк­турных генов. Работа Вилсона и Кинга видится теперь как клас­сическая и основополагающая.

Последующие исследования опровергли прежнее представле­ние, будто систематические различия организмов связаны с раз­личием генов и белков; они показали, что даже самые отдален­ные виды обнаруживают поразительное сходство гомологичных генов и кодируемых ими белков. Более того, небольшие различия в их структуре теперь используются как более надежный метод ус­тановления физиологических отношений между группами (Вил-сон, 1985).

Независимость видообразования от структурных генов обна­ружилась также благодаря созданию гипотезы молекулярных ча­сов, согласно которой скорость возникновения точковых мутаций абсолютно равномерна, чего нельзя сказать о скорости феноти-пической эволюции. Правильнее считать, что несоответствие ско­ростей молекулярной и фенотипической эволюции — обычное яв^ ление. Так, скорость эволюции млекопитающих на уровне организмов примерно в 10 раз выше скорости эволюции бесхво­стых амфибий, тогда как скорости, с которыми в обоих группах накапливаются точковые мутации, примерно одинаковы. Моле-

кулярные часы лягушек показывают то же время, что и гомоло­гичные часы млекопитающих.

Из этих и подобных им фактов следует, что морфологическая эволюция эукариотных организмов не зависит от мутаций струк­турных генов и что исключительная роль в этом процессе принад­лежит у них регуляторным генам, не кодирующим белков, но конт­ролирующим работу структурных генов. С этим хорошо согласуется то обстоятельство, что у эукариот из регуляторных ге­нов состоит большая часть генома.

Но каким образом эволюция регуляторной части генома мо­жет совершаться независимо от замены нуклеотидов в структур­ных генах? По этому поводу тот же Вилсон выдвинул гипотезу, что морфологическая эволюция происходит главным образом за счет перераспределения генов, т.е. перегруппировки последова­тельностей ДНК и обмена ими между членами популяции (эту позицию поддержали Dover (1980), Дулиттл (1986), Флейвелл (1986). Явление перераспределения генов складывается из мно­гих разноообразных процессов, последовательность которых по­ка ускользает от исследователей. Полагают, что наблюдаемые при этом хромосомные перестройки или изменения в числе самих хромосом являются всего лишь внешним выражением таких процессов.

В Новейшее время в качестве важного регулятора формообра­зовательных процессов и видообразования стали рассматривать ге-терохроматин. Еще в 60-е годы цитогенетиками было обращено внимание на ту часть генетического материала, которая не коди­рует белки. Ее стали называть по-разному — молчащей, «эгоисти­ческой», сателлитной, «сорной» или «бросовой» ДНК. Эта инерт­ная и более простая по строению часть ДНК, состоящая преимущественно из совокупности высокоповторяющихся после­довательностей, объединена в блоки и вместе с гистонами и дру­гими белками образует гетерохроматин — важнейший структурный элемент хромосомы. Не участвуя в биосинтезе непосредственно, гетерохроматин способен инактивировать соседние структурные ге­ны и тем самым контролировать время появления в клетке тех или иных генных продуктов.

Уже говорилось, что на долю гетерохроматиновых участков хро-мосов у высших животных приходится от 20 до 80 % генома. Ге­терохроматин и сателлитная ДНК, таким образом, представляют собой продукт весьма длительной эволюции, и, коль скоро их со­держание столь высоко, разумно предположить, что они не явля­ются в геноме простым балластом.

Установлено, что у самцов дрозофилы гетерохроматиновые области влияют на компенсацию дозы рДНК, экспрессию класте­ра генов в хромосоме 2, мейотическое поведение хромосом, реком­бинацию, супрессию эффекта положения. Более того, специфиче­ские области Y-хромосомы подавляют экспрессию Х-сцепленных генов в семенниках (Spradling, 198t; Korochkin, 1983).

Как показали Б. Джон и М. Гейбор (John, Gabor, 1979), а вслед за ними Л.И. Корочкин (см.: Полуэктова и др., 1984; Korochkin, 1983; Корочкин, 1999, 20016), именно гетерохроматину (и в пер­вую очередь его сатсллитной ДНК) скорее всего принадлежит роль регулятора скорости клеточного деления и роста и, стало быть, вре­менных параметров индивидуального развития.

Корочкин предполагает, что эти субстанции могут оказывать воздейстие на время экспресии генов двояким способом: путем со­единения с определенным классом белков, которые влияют на структуру хроматина, и участием в организации трехмерной струк­туры интерфазного ядра.

Последствия изменения времени экспрессии генов хорошо из­вестны из биологии развития. Это различного рода гетерохронии, педоморфоз и неотения и т.п., ведущие через преобразование онтогенеза к видообразованию и более масштабным макроэволю-иионным событиям.

«На основе измененного типа онтогенеза возникают организ­мы с новыми фенотипическими признаками, которые можно считать соответствующими "многообещающими монстрами" Р. Гольдшмидта. Именно такие организмы дают начало новым ви­дам и родам» {Корочкин, 1985. С. 92).

Сам гетерохроматин под воздействием все тех же МГЭ претер­певает перераспределение своих белков. По образному выражению Корочкина, МГЭ как бы растаскивают кусочки гетерохроматино­вой ДНК по разным ячейкам генотипа и через его реорганизацию приводят к сальтационному возникновению новых видов (Korochkin, 1993). Видообразование может быть и следствием взрывов различных инверсий и транслокаций, которыми также со­провождаются перемещения МГЭ. Поскольку сайты инсерций рас­положены в геноме закономерно, а не беспорядочно, в происхо­дящем видообразовании отражается определенная направленность эволюционного процесса (Корочкин, 2002).

Корочкин не исключает возможность и иного видообразова-тельного пути, когда при встраивании МГЭ в геном его носите­лю удается найти для спаривания соответствующего партнера и произвести уже знакомое нам дисгенетическое потомство.

Что касается способов возникновения видов, несущих призна­ки более высокого систематического ранга, то на этот счет суще­ствуют по крайней мере две точки зрения. Одни авторы (Уайт, Карсон, Стэнли, Воронцов) считают, что становление надвидовых таксонов — результат последовательного (ступенчатого) видооб­разования, другие (Шиндевольф, Корочкин, Голубовский, Ива­новский) допускают возможность моментального скачка при дос­таточной амплитуде системной мутации.

Рассмотренные механизмы видообразования, связанные с из­менением регуляторной системы генома, хотя и опираются на дос­таточно солидную экспериментальную базу, все же несут печать гипотетичности. Это объясняется в первую очередь тем, что про­блема последовательных межгенных взаимодействий, контроли­рующих трехмерную организацию ядра, клеточную пролиферацию, дифференцировку и весь морфогенез (т.е. фактически вся сфера современной эпигенетики), остается столь же трудной и малодос­тупной для изучения, как и специфика самого феномена жизни. Сложный и тернистый путь от гена к признаку, связанный с преодолением многочисленных уровней регуляции и контроля, по-прежнему скрыт от наблюдателя плотной завесой тайны.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: