Книга: Нерешенные проблемы теории эволюции

ГЕНОМ

ГЕНОМ

Мы привыкли думать, что эволюция возможна только благодаря случайным ошибкам в самовоспроизведении генома. Если эти ошибки отражаются на фенотипе (что не всегда происходит из-за вырожденности генетического кода), то отбор или отметает их, или использует для повышения приспособленности. Только так, через отбор, осуществляется обратная связь между организмом и его геномом, придающая эволюции того и другого какую-то направленность. Прямая же передача информации от фенотипа к генотипу невозможна.

В этих взглядах, разделяемых сейчас подавляющим большинством биологов, я усматриваю по крайней мере два парадокса.

Известно, что геном снабжен системами корректировки случайных ошибок копирования, которые совершенствуются в ходе эволюции (у высших организмов они более развиты, чем у низших). Если эволюция в конечном счете зависит от ошибок, то- развитие корректировочных систем должно остановить ее или по крайней мере замедлить. Но высшие организмы, по общему признанию, эволюционируют быстрее низших.

Второй парадокс (или, может быть, ряд парадоксов) вытекает из сопоставления онтогенеза и филогенеза. В онтогенезе геном ведет себя целенаправленно, создавая порядок из хаоса, в филогенезе — нецеленаправленно, если, конечно, не считать целью превращение порядка в мутационный хаос, ограничиваемый отбором.

В свое время развитие организма трактовали преформистски, считая, что в яйцеклетке лошади, например, уже заключена крошечная лошадка. Эмбриология показала, что это не так. Обнаружилось некоторое сходство между последовательностью онтогенетических стадий, «лестницей природы» (расположением организмов от низших к высшим) и последовательностью форм в палеонтологической летописи — «тройственный параллелизм», в котором Л. Агассис и его единомышленники усмотрели единство творческого замысла. Преформизм принял платоническую форму (не лошадки, а ее замысла). Стали говорить, что взрослый организм не в большей степени заключен в яйце, чем статуя Венеры в глыбе мрамора. В XIX в. как «лестница природы», так и палеонтологическая летопись получили эволюционное истолкование. Наступила очередь последнего звена гармонического трио — онтогенеза. Ф. Мюллер и Э. Геккель считали, что онтогенез повторяет эволюцию группы (филогенез), а новые формы образуются путем надставок к предковому онтогенезу, Э. Коп и Т. Эймер — что различия между видами возникают в результате задержки онтогенеза на разных стадиях, У. Гарстанг и А. Н. Северцов — что эволюцию творят изменения ранних, средних и поздних стадий.

Сложился новый — эволюционный — преформизм: индивидуальное развитие предопределено историческим, повторяет его. Правда, во взглядах Геккеля еще различимы следы старинного преформизма (онтогенез как последовательность крошечных рыбок, ящериц, лошадок и т. д.). Он практически не допускал отклонений от преформированного развития, рассматривая зародышевые изменения — ценогенезы — как побочное явление, не имеющее большого эволюционного смысла. Взгляды Копа и Эймера близки к платоническому преформизму, так как они считали конкретные онтогенезы неполными воплощениями идеального. Гарстанг пытался противопоставить преформизму подхваченную многими мысль о том, что онтогенез не повторяет филогенез, а творит его. Он придавал основное значение педоморфным изменениям, когда младенческие признаки предка становятся признаками взрослого потомка (у Геккеля, наоборот, признаки взрослого предка становятся младенческими признаками потомка в результате надставок). По Северцову, нерегулируемые изменения ранних и поздних стадий (филэмбриогенезы, в отличие от регулируемых геккелевских ценогенезов) играют различную роль в эволюции: первые дают макроэволюционный эффект, вторые — чаще микроэволюционный.

Хотя признание того факта, что эволюционные изменения происходят в онтогенезе (иначе и быть не может — не после смерти же им происходить), еще не означало окончательного разрыва с преформизмом, сама идея творческого онтогенеза, анти-преформистская по духу, казалась многообещающей. К сожалению, ее развитие было заторможено генетическим преформизмом: онтогенез — реализация наследственной программы, закодированной в геноме. Поскольку одни и те же гены могут быть задействованы на разных стадиях, разделение ранних и поздних филэмбриогенезов как бы теряет смысл [Rensch, 1954]. Кроме того, ранние изменения, затрагивающие структурный тип, напоминали о ниспровергнутой типологии, а поздние — о еще более решительно отвергаемом наследовании приобретенных признаков (геккелевские надставки предполагали именно такое наследование).

Этот краткий экскурс в историю преформизма, надеюсь, поможет понять, откуда возникла (гораздо раньше, чем были получены какие бы то ни было экспериментальные подтверждения) уверенность в неизменности генетической программы в течение онтогенеза, в невозможности внесения в нее естественным путем целеполагающих поправок или дополнений (вроде закрепления приобретенных признаков), в том, что возможны только случайные ошибки в процессе ее копирования.

Но, может быть, все это подтвердилось и теперь уже не вызывает сомнений? Едва ли. Подтверждений, как всегда, сколько угодно, а объяснения реализации генетической программы в онтогенезе до сих пор нет, а значит, не может быть и удовлетворительной теории эволюции этой программы.

Во-первых, следовало бы уточнить, что подразумевается под случайностью изменений генетической программы — мутацией. Случайным называют беспричинное, необъяснимое, находящееся на пересечении не связанных между собой порознь объяснимых событий (человек перешел на другую сторону улицы, потому что солнце припекало, а кирпич упал, потому что каменщик использовал плохой цемент), равновероятное из множества возможных. Мутации не беспричинны — мы сейчас знаем много различных воздействий, которые причиняют их. Ж. Моно считает невозможным предсказать, в каком именно участке ДНК произойдет мутация в данный момент [Monod, 1977]. Значит, мутации «случайны» в смысле «непредсказуемы». Однако исследователи мутагенеза более или менее единодушны в том, что мутации неравновероятны, происходят с различной частотой. Следовательно, единичный мутационный акт может быть непредсказуем, а общий итог множества актов в принципе предсказуем (если известна частота мутаций). Раз так, то речь может идти лишь о незнании, но не о случайности в строгом смысле слова.

Если существует какая-то направленность мутагенеза, то должны быть и направляющие факторы — внутренние или внешние. Исторический опыт учит, что, оставаясь на позициях редукции и преформизма, мы этих факторов не найдем (с этих позиций они не видны — их нет, и все тут!). Мы должны рассмотреть геном, с одной стороны, как систему, с другой — как компонент более сложной системы. Эволюция генов подчинена генетической системе, в которую они входят как взаимодействующие компоненты. Система, предоставленная самой себе, стремится к состоянию, требующему меньших энергетических затрат на поддержание структурных связей (характеризуется такими показателями, как энтропия, информация, свободная энергия Гиббса). В этом может заключаться общая причина действительно спонтанных мутаций. Вопрос об их эволюционном значении остается открытым. Вполне возможно, что они составляют львиную долю «нейтральной» генетической изменчивости. Важные для эволюции организмов генетические процессы скорее могут быть раскрыты при рассмотрении генома как компонента системы более высокого уровня — целого организма.

Мы знаем благодаря работам Л. Вольперта [Wolpert, 1969] и его последователей, что в развивающемся организме существует единая система позиционного контроля, состоящая из ряда организующих точек или регионов. Если отнять или добавить часть ткани зародыша, то клетки перестраиваются таким образом, чтобы восстановить нарушенные соотношения (эта способность зародышей многоклеточных организмов называется морфолаксисом). Ясно, что геном зиготы не может содержать информацию о поведении клеток в случае непредвиденного нарушения предопределенного развития и что такая информация появляется в ходе самого развития. Поэтому мы можем позволить себе хотя бы временно расстаться с преформизмом, допустив, что геном в ходе онтогенеза развивается вместе с организмом. Иначе говоря, вопреки традиционным представлениям, геномы последовательных клеточных поколений неодинаковы. Как можно проверить это допущение?

Традиционная теория неизменного генома предсказывает, что из любой клетки организма можно в принципе вырастить генетически совершенно такой же — отсюда фантастический проект клонирования гениев. Теория эволюции генома в ходе онтогенеза предсказывает противоположное: из клонирбвания гениев ничего не выйдет. На практике вырастить полноценный организм высшего' животного из соматической клетки вообще не удается (причем дело не только в технических трудностях), высшего растения — удается, но генетически оно отличается от исходного [Engler, Grogan, 1984]. Более того, при повторном образовании гомологичных органов — покровов после линьки, рогов и т. п., в котором задействованы, казалось бы, одни и те же гены, происходят направленные изменения. И, наконец, есть прямые свидетельства изменения генома, особенно в раннем развитии. Например, в эмбриогенезе нематод выпадают целые гетерохроматиновые блоки ([Goday, Pimpinelli, 1984], это один из многих примеров). Можно возразить, что гетерохроматиновые блоки состоят из многократно повторяющихся нуклеотидных последовательностей и не содержат структурных генов, кодирующих белки. Тем не менее они — тоже элемент программы, как знаки препинания и пробелы между словами — элементы текста. Кроме того, гетерохроматиновые блоки оказывают влияние на активность генов соседних участков — это явление давно известно под названием позиционного эффекта. В какой-то мере позиционный эффект, вероятно, свойствен всем повторяющимся элементам генома, которые вкраплены между «уникальными» или образуют более или менее крупные блоки. Когда ДНК воспроизводится — реплицируется, то ее повторные элементы как бы немного отстают от общего хода копирования и в следующем поколении могут быть представлены меньшим числом копий. В результате изменится их позиционный эффект. Повторные элементы, вероятно, задействованы в скручивании спирали ДНК, от степени которого зависит возможность включения генов. Ясно, что изменение содержания повторной ДНК в ходе онтогенеза, подтверждаемое примерами, которые можно рассматривать как крайнее проявление широко распространенного феномена, должно иметь какие-то, и может быть очень серьезные, последствия для генома в целом.

Повторы широко и разнообразно задействованы в системе контроля генной активности. Включение гена происходит через промотор, который расположен на некоторой дистанции, примерно в 40—100 пар оснований от гена. Сам промотор состоит из нескольких субъединиц. Специальные белки, распознающие те или иные элементы промотора, связываются с ним и открывают (может быть, путем раскручивания ДНК) или закрывают доступ к нему транскриптазе [Dynan, Tjian, 1985]. Еще один элемент регу-ляторной системы — энхенсер (усилитель), расположенный примерно в 1000 пар оснований от промотора, влияет на его активность и служит как бы посредником между геном и продуктами других генов или гормонами. Известно, что выпадение повторов в промоторе или энхенсере радикально изменяет экспрессию гена, причем тандемные дупликации дают возврат к норме [Негг, Glazman, 1985]. Таким образом, одним из следствий направленного изменения — недорепликации в ходе последовательных клеточных делений — повторяющихся нуклеотидных последовательностей может быть изменение структуры регуляторных элементов и соответственно переход гена из неактивного состояния в активное или наоборот, который сопровождается переходом от ранней репликации к поздней или наоборот. Ослабление транскрипционной активности гена обычно сопровождается сдвигом его репликации к поздней фазе.

Но возможен и другой путь воздействия на генную активность, сигналы от промоторов и энхенсеров могут первоначально не достигать цели, находящейся на слишком большом расстоянии от них; выпадение промежуточных нуклеотидных последовательностей сокращает дистанцию и способствует активизации гена. Может быть, по этому принципу действуют подвижные повторы семейства Alu, участвующие в регуляции генной активности и претерпевающие количественные изменения в ходе клеточной дифференциации.

Эти и некоторые другие гипотезы, которые мы здесь не будем рассматривать, возлагают на повторную ДНК, точнее на ее эволюцию в ходе онтогенеза, роль своеобразного счетчика митозов, определяющего, во взаимодействии с внешними факторами, порядок включения генов. Иными словами, последовательность генной активности выступает здесь как функция направленной эволюции генома в онтогенезе.

С этих позиций легко объяснить старение клеточных клонов и многоклеточных организмов, причем показательно, что в стареющих клеточных линиях возрастает частота хромосомных разрывов, приходящихся, как правило, на районы повторной ДНК — косвенное свидетельство изменения ее структуры. Изменение генома в течение жизни — по-видимому, неизбежное следствие многоклеточности и сложного онтогенеза. Если бы каждый организм передавал потомству все генетические изменения, которые он накопил при жизни, то темпы эволюции ускорились бы во много раз, не было бы ничего устойчивого. Поэтому в связи с усложнением онтогенеза понадобились меры против наследования онтогенетических изменений генома. Одна из них — раннее обособление клеточной линии, ведущей к половым клеткам. Этого, очевидно, недостаточно, поскольку направленные изменения генома. могут происходить очень рано, как мы уже отмечали. Кроме того, геноплазма не изолирована полностью от сомы, находится в общем информационном потоке и может подвергнуться наведению мутаций, допустим, с помощью тех же маленьких молекул, которые передают позиционную информацию. Дополнительные меры — это органичение репродуктивного возраста и мейотическая репарация ДНК, устраняющая часть накопленных изменений. Может быть, поэтому половое размножение — хотя бы периодическое, чередующееся с бесполым — так важно для сохранения структуры генома.

Несмотря на эти меры, онтогенетические изменения генома, кажется, все же частично передаются потомству, усиливаясь из поколения в поколение, в последовательных онтогенезах, сохраняющих направленность геномной эволюции.

Известно, что скачкообразные изменения числа копий повторяющихся генов влияют на скорость роста организма в целом и координацию развития частей. Например, нехватка копий генов рибосомной РНК у плодовой мушки дает мутантный фенотип bobbed, характеризующийся не только отдельными онтогенетическими аномалиями, но и общим замедленным развитием. Хотя в данном случае речь идет о нежизнеспособном фенотипе, можно предположить, что аналогичные, но более мягкие формы макромутаций давали те гетерохронии и педоморфозы, следы которых мы находим в эволюционной летописи (см. выше).

Отметим, что протоонкогены («клеточные онкогены») также участвуют в регуляции роста и клеточной дифференциации. В изменении активности клеточных онкогенов, ведущем к злокачественному преобразованию клеток, какую-то, может быть даже главную, роль играет амплификация [см., например, Chaum et al, 1984].

Эти соображения позволяют, как мне кажется, лучше понять такие пока не получившие исчерпывающего объяснения явления, как старение, ограничение репродуктивного возраста, половой процесс и онкогенез, имеющий много общего с макроэволюционными преобразованиями. В частности, старение выглядит естественным следствием направленного изменения генома в течение жизни особи, размножение в определенном возрасте — стабилизирующий фактор, уменьшающий изменчивость, связанную с возраг гным накоплением изменений генома, и половой процесс в основном служит той же цели.

Я считаю традиционное представление о половом процессе как средстве увеличения изменчивости, служащей материалом для отбора, настолько метафизичным, что оно граничит с мистикой: тут уже не случайность, как в мутагенезе, а какая-то неведомая целеполагающая сила заботится о том, чтобы эволюционный механизм не простаивал. В действительности половой процесс следует, видимо, рассматривать как стабилизирующий фактор, не увеличивающий, а сокращающий подлежащую отбору изменчивость и, таким образом, смягчающий действие отбора, а не усиливающий его. Во-первых, часть генетических отклонений снимается мейотической репарацией. Затем, гетерозиготность дает более устойчивое развитие организма (меньше отклонений от нормы), может быть, из-за большего разнообразия продуктов структурных генов, но главным образом из-за большего разнообразия регуляторных элементов, обеспечивающих своевременное включение генов на разных уровнях накопления сигнала. И наконец, она позволяет неблагоприятным в гомозиготном состоянии мутациям избежать цензуру отбора. В силу этого половой процесс можно отнести к прогрессивным приспособлениям.

Мы коснулись только одной стороны сложного процесса эволюции генома в ходе развития — автономных изменений его структуры. Но изменения могут происходить и под влиянием внутриклеточной среды, причем именно они, вероятно, наиболее важны для понимания эволюционных явлений, которые описывались как прямолинейное развитие (ортогенез) и связывались с «наследованием приобретенных признаков», «длительными модификациями» или «генетической ассимиляцией». Я приведу только один, но, кажется, достаточно показательный пример из области длительных модификаций, на который обратил мое внимание Л. Ван Вален. Известно, что недоедание плохо влияет на рост, а достаточное питание — хорошо. Такого рода различия в росте, казалось бы, никаких эволюционных последствий не имеют. Однако у одной разновидности льна-долгунца усиленная фосфорная и азотная подкормка дает трех — шестикратное увеличение в размерах, которое наследуется в ряду поколений независимо от питания, но при постоянной температуре. Содержание ядерной ДНК тоже увеличивается. При снижении температуры размеры и содержание ДНК постепенно приходят в норму (мне хотелось бы обойтись минимальным количеством библиографических ссылок, но в данном случае приведу более полную литературу, чтобы показать, что речь идет о хорошо изученном явлении [Durrant, 1962; Joarder et al., 1975; Callis, 1975; Timmis, Ingle, 1973, 1974].

Температура, концентрация солей, различные проникающие в клетку вещества влияют на скручивание спирали ДНК и включение генов, которое требует определенного биохимического фона, подготовленного работой других ядерных и неядерных генов, но зависящего и от внешних условий. Вещества, проникающие в клетку в ходе жизнедеятельности организма, могут подавлять или стимулировать активность гена. Изменение поведения, повышение или понижение активности того или иного органа («упражнение — неупражнение») изменяет спрос на продукты тех или иных генов. Хорошим примером может быть увеличение содержания РНК в клетках мозга при обучении (и у крыс, помещенных в так называемую обогащенную среду, стимулирующую исследовательское поведение). При этом, кажется, происходит не только активизация, но и избирательная амплификация нужных генов [Третьяк, 1985].

Обратная связь между «спросом» и «предложением» может осуществляться при посредничестве таких регуляторных элементов, как энхенсеры (см. выше), воздействующие через промоторы на экспрессию гена.

Связь между транскрипцией и репликацией, о которой мы уже говорили, помогает понять, каким образом изменение активности может отразиться на структуре гена. Неактивные гены переходят в разряд позднореплицирующихся и могут вообще умолкнуть вследствие нарушения их тонкой структуры. Происходит нечто вроде развития или деградации гена в результате «упражнения» или «неупражнения».

Гены эукариот и архебактерий подразделены интронами на функциональные участки, транскрипты которых потом как бы сшиваются в одно целое. Такая структура обеспечивает ювелирную точность работы гена. Воздействия, изменяющие режим работы гена, неизбежно отражаются на его воспроизведении, которое, по-видимому, становится менее точным. Может быть, выпадают интроны, превращая его в псевдоген. В активных генах, напротив, возрастает функциональная интеграция частей промотора, повышается его чувствительность, допускающая включение на более ранней стадии накопления сигнала. Этим можно объяснить давно подмеченное эволюционистами проявление прогрессивно развивающегося признака на- все более ранних стадиях, его «погружение» в онтогенез (в конце концов и получается, что зародыши потомков чем-то похожи на взрослых предков — объяснение закона Геккеля).

Механизм упражнения объясняет, каким образом воздействия, модифицирующие режим работы гена, могут в конце концов оставить глубокий след в его структуре, оказаться введенными в генетическую память. Генетическое запоминание, по-видимому, аналогично механизму обычной памяти, который, хотя и не ясен в деталях, в самом общем виде связан с более или менее устойчивыми ультраструктурными изменениями (локализованными, вероятно, в синапсах), возникающими в результате многократно повторяющейся активизации и, подобно изменению структуры промотора, облегчающими прохождение сигнала к нужным нейронам.

Один из компонентов среды, оказывающий влияние на ядерный геном, — это митохондриальная ДНК. «Голая», не защищенная белковым футляром, она более чувствительна к внешним воздействиям, чем ядерная. Митохондрии живо реагируют на все происходящее в клетке и подвержены внутриклеточному отбору. Поэтому вполне можно допустить направленное изменение митохондриальной ДНК в ряду клеточных поколений (в отличие от ядерной, она наследуется только от материнского организма; хотя митохондриальных генов относительно мало, они влияют на жизненно важные функции клетки и, в частности, на свойства ее поверхности, от которых зависит взаимодействие с другими клетками; роль этих генов особенно велика на ранней стадии развития зародыша, когда происходит первичное распределение клеток). Между клеточным ядром и митохондриями постоянно происходит взаимный обмен ДНК [Виленчик, 1985]. Митохондриальная ДНК, встроенная в ядерный геном с помощью тех же подвижных повторов Alu, о которых мы уже говорили, может сообщать эволюции последнего дополнительную направленность.

Может быть, некоторые из обсуждаемых здесь гипотез несостоятельны, но, с другой стороны, мы наверняка не исчерпали всех факторов направленного развития генома. Их изучение могло бы продвигаться более быстрыми темпами, если бы не стойкое предубеждение против какой-либо направленности, не связанной с отбором организмов и якобы противоречащей теории Дарвина. В действительности представление о внутриклеточном и внутригеномном отборе лишь расширяет сферу действия этой теории. Одновременно мы, кажется, начинаем понимать действительную роль отбора организмов в общей схеме. Давно показано, что отбирать редкие благоприятные мутации через их носителей крайне неэффективно. Если вероятность появления такой мутации 10^-5, то вероятность шести последовательных мутаций, позволяющих продвинуться в нужном направлении 10^-30 [Cheverud, 1984]. Что же отбирается? Не единичные мутации, поскольку их оценка происходит большей частью еще на уровне эволюции гена как многокомпонентной системы. И не генные сочетания, которые апробируются в ходе автономного развития генома как системы генов. Отбираются скорее всего направления эволюции генетической системы, результаты отбора на более низких системных уровнях. Очевидно, лишь такой многоуровенный отбор отбора (или даже отбор отбора отбора) обеспечивает те темпы эволюции организмов, которые мы наблюдаем в природе.