Книга: Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Изменения регуляции генов

Изменения регуляции генов

Не всякое новшество требует изменений белок-кодирующих участков ДНК. В основе многих эволюционных преобразований лежат мутации регуляторных некодирующих участков, от которых зависит, где, когда, при каких условиях и с какой интенсивностью будет работать близлежащий ген. Изучать такие эволюционные изменения технически намного труднее, но и на этом фронте биологи в последние годы добились важных успехов.

ЗАГАДКА УЗОРЧАТЫХ КРЫЛЬЕВ.

Плодовые мушки рода Drosophila — идеальный объект для изучения эволюции сложных признаков. В этой группе перемешаны не только узкие и широкие экологические специалисты, но и виды с разнообразными морфологическими признаками. Причем характер родственных связей между видами установлен вполне надежно (т. е. известно, кто от кого и когда произошел), и можно проследить, как в ряду потомков видоизменялся тот или иной сложный признак.

Например, у D. guttifera на крыльях имеется замысловатый узор, которого нет у других дрозофил. Узор состоит из 16 черных пятен, расположенных в строго определенных местах на продольных жилках и в точках соединения продольных жилок с поперечными, и нескольких серых «теней» между жилками. У родственников D. guttifera крылья либо вовсе не окрашены, либо имеют гораздо более простой орнамент. Очевидно, сложная окраска крыльев D. guttifera — недавнее эволюционное приобретение.

Шон Кэрролл, американский генетик и автор превосходных научно-популярных книг, и его коллеги из Висконсинского университета решили выяснить, какие генетические изменения ответственны за появление у D. guttifera затейливого орнамента на крыльях. Ранее эта исследовательская группа установила, что независимое появление простых темных пятен на крыльях у разных видов дрозофил связано с изменениями регуляторных участков гена yellow, который управляет синтезом пигмента меланина и отвечает за пигментацию разных частей тела. Об этом исследовании рассказано в книге «Рождение сложности» (Марков, 2010. С. 344).

Выяснилось, что на стадии куколки yellow работает как раз в тех участках крыла, где впоследствии появятся темные пятна. Следовательно, у этого вида, как и у других дрозофил, формирование пятен идет под управлением yellow. Однако у D. guttifera распределение областей экспрессии yellow по крылу отличается особой сложностью.

Нужно было понять, что заставляет yellow работать в одних частях крыла и не работать в других. Зная, что узоры на крыльях дрозофил зависят от некодирующих регуляторных участков yellow, авторы принялись искать эти участки[68]. Они отсеквенировали фрагмент генома D. guttifera длиной в 42 тыс. пар нуклеотидов, включающий ген yellow и его окрестности. Затем они подразделили некодирующие области на 28 перекрывающихся кусочков и стали изучать их свойства при помощи генно-инженерных экспериментов. Каждый кусочек по очереди присоединяли к гену зеленого флуоресцирующего белка (GFP) и вставляли эту конструкцию в геном D. guttifera, а затем смотрели, где будет вырабатываться GFP Таким непростым способом удалось выявить регуляторный участок длиной в 277 пар нуклеотидов, который заставляет присоединенный к нему ген включаться как раз в тех 16 точках развивающегося крыла, где у диких мух D. guttifera включается ген yellow и формируются пятна на жилках. Этот регуляторный участок находится на расстоянии около 5 тыс. пар нуклеотидов перед началом кодирующей части yellow. Таким образом, один-единственный регуляторный элемент контролирует формирование всех 16 пятен.

Тем же способом был выявлен еще один регуляторный участок, который отвечает за серые «тени» между жилками. Этот участок длиной в 414 пар нуклеотидов расположен в первом интроне гена yellow. Если присоединить его к гену светящегося белка и вставить в геном D. guttifera, у куколки начинают светиться те участки крыла, где должны быть «тени».

Следовательно, всего лишь два регуляторных элемента определяют все распределение областей экспрессии yellow по крыловой пластинке (хотя в принципе каждое пятнышко могло бы определяться своим собственным регуляторным элементом). Первый из обнаруженных элементов авторы назвали vs (vein spot — «пятна на жилках»), второй — iv (intervein shade — «тени между жилками»). Эти элементы действуют как переключатели. Первый из них срабатывает там, где должны сформироваться пятна, второй — в местах образования будущих «теней».

Таким образом, «нижняя» часть регуляторного каскада была в общих чертах расшифрована. Распределение пятен по крылу определяется элементами vs и iv. Срабатывание переключателей vs и iv активирует ген yellow. Ген yellow включает синтез меланина. Синтез меланина приводит к формированию пятна на крыле.

Этого уже было бы достаточно для хорошей статьи. Но авторы не остановились на достигнутом и продвинулись еще на один шаг вверх по регуляторному каскаду. Им удалось выяснить, на какой сигнал реагирует переключатель vs — что заставляет его включаться в нужном месте и в нужное время.

Не имея никаких подсказок, подступиться к такой задаче непросто, ведь в принципе присоединяться к элементу vs, запуская экспрессию yellow, мог бы любой из многих сотен регуляторных белков (транскрипционных факторов), а на работу этого неизвестного белка наверняка влияют еще какие-то факторы. Авторы, однако, добыли подсказку, изучая отклонения от нормального хода развития в лабораторной популяции мух D. guttifera. Они заметили, что пятна жестко привязаны к определенным опорным точкам на крыловой пластинке. Такими опорными точками являются поперечные жилки и места их соединения с продольными жилками, окончания продольных жилок, а также колоколовидные сенсиллы — рецепторы, расположенные на продольных жилках. Если у мутантной мухи на крыле появляется новая сенсилла или новое место соединения жилок, это всегда приводит к формированию нового пятна. Если, наоборот, сенсилла теряется, то исчезает и соответствующее пятно.

Следовательно, сложный рисунок на крыльях связан с предшествующей «разметкой» крыловой пластины, которая определяет ее структуру. Это позволило сузить круг поиска. Генетическая разметка развивающегося эмбриона или куколки осуществляется небольшим набором генов — ключевых регуляторов развития. Возможно, какой-то из них взаимодействует — прямо или опосредованно — с переключателем vs.

Чтобы найти искомый ген, авторы пересадили элемент vs, присоединенный к гену GFP, в геном мухи D. melanogaster — классического лабораторного объекта, чья генетика развития изучена гораздо лучше, чем у D. guttifera. Оказалось, что у D. melanogaster элемент vs срабатывает у основания крыла и на поперечных жилках, но не работает вблизи колоколовидных сенсилл. Точно так же распределены у этого вида и области экспрессии гена wingless — одного из важнейших регуляторов индивидуального развития. На ранних этапах онтогенеза членистоногих wingless участвует в глобальной разметке туловища, формировании конечностей, определяет границы сегментов. На поздних стадиях развития куколки wingless занят менее грандиозными проектами, участвуя в том числе в оформлении некоторых деталей строения крыльев.

Пересаженный от D. guttifera элемент vs сработал в крыле куколки D. melanogaster ровно в тех местах, где активен ген wingless. Это делает wingless хорошим кандидатом на роль «входного сигнала», активирующего vs и включающего yellow. Авторы проверили, как распределены области экспрессии wingless в крыле D. guttifera, и убедились, что все сходится: у вида с пятнистыми крыльями wingless на стадии куколки работает как раз в тех участках крыла, где позже формируются пятна.

Чтобы окончательно убедиться в том, что активность wingless является достаточным условием для появления пятен у D. guttifera, авторы провели еще одну серию генно-инженерных экспериментов. На этот раз в эмбрионы D. guttifera впрыскивали ген wingless, взятый у D. melanogaster и соединенный с регуляторным участком, заимствованным у дрожжей. Смысл заключался в том, чтобы получить трансгенных мух D. guttifera, у которых области экспрессии wingless в крыльях были бы расположены как-то иначе. В конце концов такие мухи были получены: у них возникла новая область экспрессии wingless вдоль одной из продольных жилок. В полном соответствии с теоретическими ожиданиями у этих мух появилась и новая темная полоса на крыльях, идущая вдоль этой жилки.

Авторы также проанализировали пигментацию крыльев, экспрессию wingless и наличие или отсутствие регуляторного элемента vs у других видов дрозофил. В итоге удалось восстановить ход эволюции узора на крыльях.

Слева — эволюционное дерево, показывающее родственные отношения между видами дрозофил с различными узорами на крыльях. Самый сложный орнамент — у D. guttifera. Справа — схема эволюции узора. Из Werner et al., 2010.

Исходно у дрозофил ген wingless экспрессировался вдоль поперечных жилок, но не работал у концов продольных жилок и в колоколовидных сенсиллах. В гене yellow не было регуляторного элемента vs, способного реагировать на wingless, а крылья не имели орнамента. Это исходное состояние сохранилось у D. melanogaster. Затем в одной из групп дрозофил появился элемент vs, что привело к формированию связи между экспрессией wingless и пятнами на крыльях[69]. Первые темные пятна поэтому появились там, где исходно экспрессировался wingless, — вдоль поперечных жилок.

После того как пигментация стала зависеть от wingless, у эволюции появилась возможность создавать новые узоры, меняя экспрессию этого гена. Ген wingless имеет сложную и пока еще слабо изученную систему регуляции, но в целом его работа ориентируется на базовую разметку и ключевые «опорные точки» развивающегося организма. Эта привязанность wingless к опорным точкам сохранилась и в ходе дальнейших изменений его экспрессии в крыльях. У некоторых видов возникли новые области экспрессии wingless на концах продольных жилок, и там появились пятна. Только у одного вида — D. guttifera — орнамент крыльев усложнился еще сильнее за счет появления дополнительных областей экспрессии wingless в шести колоколовидных сенсиллах.

Получается, что замысловатый орнамент крыльев D. guttifera развился на основе существовавшего ранее плана строения крыла. Возможно, примерно таким же образом, отталкиваясь от опорных точек морфогенетической разметки крыла, сформировались узоры на крыльях и у других насекомых, включая бабочек. Но, чтобы это доказать, придется еще немало потрудиться.

Здесь мы видим, как изменение двух регуляторных участков одного гена (гена yellow) привело к формированию сложного признака. Изменение это было таково, что направило уже существующий регуляторный каскад по новому маршруту: старые персонажи в новой пьесе.