Н.А. Колчанов
Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск
Глубокоуважаемые коллеги!
Представленный Вашему вниманию доклад (рис. 1) посвящен рассмотрению закономерностей эволюции регуляторных генетических систем организмов.
В настоящее время, после расшифровки большого количества геномов, изучения молекулярных механизмов, контролирующих функцию генов и обеспечивающих формирование фенотипических признаков организмов, наука накопила огромное количество знаний о регуляторных генетических системах организмов. Стало ясно, что элементарными единицами, в пределах которой функционируют регуляторные генетические механизмы, являются генные сети. В качестве примера на рисунке 2 показан центральный фрагмент генной сети, обеспечивающей биосинтез холестерина и постоянство его концентрации в клетках. Путь биосинтеза холестерина из ацетил-коэнзима А контролируется по механизму отрицательной обратной связи. Центральный регулятор генов, кодирующих ферменты этого пути — транскрипционный фактор SREBP, активирующий транскрипцию кассеты этих генов и тем самым усиливающий продукцию холестерина. Фактор SREBP образуется из предшественника — preSREBP под действием стерол-зависимой протеазы. При повышении уровня холестерина активность протеазы подавляется, что снижает скорость образования фактора SREBP и его концентрацию. Тем самым снижается активность генов, кодирующих ферменты этого пути, и уровень холестерина нормализуется (рис. 2). Так работает отрицательная обратная связь, контролирующая концентрацию холестерина. Как правило, генная сеть, контролирующая определенный фенотипический признак организма, включает от нескольких десятков до сотен генов.
Любой организм имеет огромное разнообразие генных сетей, контролирующих молекулярные, биохимические, физиологические и морфологические признаки организмов. И в каждой генной сети имеются генетические механизмы, которые обеспечивают ее регуляцию. Каковы бы не были молекулярные механизмы регуляции, все они, в конечном счете, основаны на изменении функции тех или иных групп генов, входящих в состав генных сетей. Иными словами, любые регуляторные механизмы в организмах человека, животных и растений имеют в своей основе генетическую природу. Мой доклад посвящен тому, как функционируют генетические механизмы регуляции и как они изменяются в ходе эволюции, приводя к наблюдаемому нами разнообразию таксонов и характерным для них признакам.
На рисунке 3 представлено филогенетическое дерево, построенное методами молекулярной филогении и описывающее взаимоотношения между некоторыми таксонами млекопитающих. Характерные представители таксонов, отмеченных на дереве цифрами представлены слева. Это прыгунчик (5), (Macroscelidea), златокрот (6) (Chrysochloridae), даман (1) (Hyracoidea), ламантин (3) (Sirenia), африканский слон (2) (Proboscidea) и трубкозуб (4).
Можно видеть, что хотя эти таксоны по данным молекулярной филогении находятся в ближайшем эволюционном родстве, они имеют огромные различия в морфологии и среде обитания (рис. 3). Ламантин (Sirenia) живет в воде, трубкозуб (Tubulidentata), сохранив морфологию наземного животного, может с большой скоростью рыть подземные ходы в твердых грунтах, златокрот (Chrysochloridae), напротив, приобрел конвергентное сходство с обыкновенным кротом, приспособившись к жизни в песчаных грунтах, прыгунчик (Macroscelidea) имеет малый вес тела, в то время как у слона (Proboscidea) вес тела может достигать 2-х тонн и более. Это дерево иллюстрирует простой, но фундаментальный принцип: темпы молекулярной эволюции не коррелирует с темпами эволюции морфологической. Этот и множество других результатов свидетельствуют о том, что наряду с генетическими последовательностями, эволюционировавшими в нейтральном режиме, эволюция близкородственных таксонов млекопитающих сопровождалась радикальными молекулярными изменениями по некоторым группам генов (генным сетям), что и обеспечило в относительно короткие по эволюционным масштабам сроки столь поразительную дивергенцию эволюционно близких таксонов по существенно различающимся экологическим нишам.
Возникает вопрос, что же обуславливает столь выраженные морфологические изменения за короткие по эволюционным масштабам периоды дивергенции близкородственных таксонов. Наша точка зрения, которая будет обосновываться в этом докладе, сводится к тому, что эти выраженные морфологические, биохимические, физиологические и т.д. различия обусловлены эволюционным изменением регуляторных систем организмов. В более общей форме вопрос можно поставить так: какие типы мутаций могут приводить к выраженному изменению регуляторных функций, за которыми стоят выраженные изменения фенотипов? (рис. 4)
Можно указать на два типа регуляторных мутаций, которые должны существенно изменять функции регуляторных генетических систем. Во-первых, это мутации, которые затрагивают регуляторные районы генов. Во-вторых, это мутации, которые затрагивают иерархически более высокие уровни функционирования регуляторных генетических механизмов, а именно — взаимодействие между генами (рис. 5).
При рассмотрении первого типа регуляторых мутаций, следует напомнить об особенностях структурной организации двойной спирали ДНК (рис. 6), расшифрованной Уотсоном и Криком. Двойная спираль ДНК имеет малую бороздку шириной 6 ангстрем и большую бороздку шириной 12 ангстрем. Шаг спирали — 34 ангстрема, диаметр спирали — 24 ангстрема. Первоначально считалось, что двойная спираль ДНК имеет регулярную структуру. Позднее стало ясно, что она локально нерегулярна, и что локальная конформация ДНК зависит от нуклеотидного контекста. Это приводит к тому, что размер малой и большой бороздок, угол закручивания соседних пар оснований и другие параметры ДНК могут существенно варьировать. Фактически, зависимость локальной конформации от нуклеотидного контекста является основой так называемого конформационного кода ДНК, который определяет локализацию регуляторных районов, распознаваемых регуляторными белками. Каждый регуляторный белок, имея определенную пространственную структуру (один из конкретных типов ДНК-связывающих доменов) формирует в процессе взаимодействия с регуляторным элементом ДНК определенный ДНК-белковый комплекс, основанный на тонком стереохимическом соответствии между атомными группировками белка и функционального сайта ДНК.
Регуляторные мутации первого типа, в свою очередь, подразделяются на две группы (рис. 7). К первой группе относятся мутации, затрагивающие функциональные сайты ДНК (регуляторные элементы). Влияя на локальную конформацию двойной спирали ДНК (изменение размеров большой или малой бороздок, угла закрученности ДНК и т.д.), они могут драматически изменять функцию сайтов: ослаблять, затруднять, или делать вообще невозможным формирование нормальных ДНК-белковых комплексов между функциональными сайтами и ДНК-связывающими доменами регуляторных белков.
Ко второй группе относятся мутации, затрагивающие гены регуляторных белков (транскрипционных факторов). Они могут произойти в регуляторной части гена транскрипционного фактора, что приведет к изменению регуляции его экспрессии или в кодирующей части гена, что приведет к изменениям в самом регуляторном белке, изменив теперь уже с его стороны способность к формированию ДНК-белковых комплексов.
На рис. 8 для трех транскрипционных факторов показаны экспериментально измеренные величины их аффинности к сайтам связывания в зависимости от изменений конформационных параметров ДНК, происходящих при одиночных нуклеотидных заменах. Видно, что сродство СRO-репрессора, фактора USF и белка ТВР к своим сайтам связывания существенно меняется при мутационных изменениях таких конформационных параметров, как ширина большой бороздки ДНК, угла twist закрученности спирали ДНК и ширины малой бороздки ДНК, соответственно. Эти результаты показывают, что активность ДНК-сайтов зависит от их конформационных и физико-химических свойств, которые кодируются их нуклеотидным контекстом и, следовательно, могут меняться при мутациях. В настоящее время у человека выявлено огромное количество мутаций в регуляторных районах генов, сопровождающихся выраженными фенотипическими проявлениями. Рассмотрим один замечательный пример.
Ген Duffy человека (рис. 9) кодирует поверхностный рецептор, взаимодействие с которым необходимо для проникновения малярийного плазмодия в клетку. Именно поэтому белые европейцы восприимчивы к малярии. В то же время, в черных популяциях Африки в регуляторном районе этого гена фиксировалась мутация T а C, повреждающаяся сайт связывания фактора GATA, необходимый для транскрипции гена Duffy. В результате этого африканцы не имеют антигена Duffy, что обеспечивает устойчивость аборигенов Африки к малярийному плазмодию (рис. 9). Этот пример иллюстрирует важную роль регуляторных мутаций, затрагивающих сайты связывания транскрипционных факторов, для микроэволюционных процессов, обеспечивающих адаптацию популяций к специфическим средовым условиям.
Следующий пример (рис. 10) демонстрирует выраженные морфологические изменения фенотипа при селекции, затрагивавшей регуляторный район конкретного гена. Эволюционным предком кукурузы является теосинт — растение, произрастающее в Центральной Америке. Оказалось, что одной из основных мишеней селекции при введении в культуру теосинта был регуляторный район гена tb1 (teosinte-branched1). Была проведена расшифровка нуклеотидных последовательностей гена tb1 у большого числа разновидностей современных дикорастущих теосинтов и сортов культурной кукурузы и произведен филогенетический анализ, позволивший восстановить эволюционные взаимоотношения между изученными видами растений, локализацию мутаций в различных районах гена, а также оценить скорости фиксации мутаций.
Показано, что эволюция строения соцветия, характерного для кукурузы, была связана с положительным отбором и фиксацией в промоторе гена tb1 уникального комплекса мутаций, что обусловило возникновение характерных особенностей строения початка кукурузы. Процесс искусственного отбора был весьма интенсивным, так как согласно оценкам, полученным при филогенетическом анализе, дивергенция между тиосинтами и кукурузой произошла около 7 тысяч лет назад. На графике рисунка 8 виден рост полиморфизма некодирующего регуляторного района гена tb1 кукурузы по сравнению с теосинтом, что соответствует насыщению этого района зафиксированными искусственным отбором мутациями за время одомашнивания. Нам представляется, что описанное выше — это адекватная модель того, может происходить в естественных условиях при движущем отборе, затрагивающем регуляторные районы генов. Фактически, за кратчайший по эволюционным масштабам промежуток времени в ходе искусственной эволюции возникли столь выраженные фенотипические изменения, что их можно сопоставить с изменениями, происходящими при видообразовании.
У эукариот регуляторные районы имеют огромные размеры, которые в десятки раз могут превосходить размер кодирующих частей генов. Регуляторные районы генов могут содержать десятки регуляторных элементов. Например, регуляторный район гена тиразинаминотрансферазы крысы (рис. 11) содержит 40 регуляторных единиц: сайтов связывания транскрипционных факторов, энхансеров и т.д. Длина этого района равна 10 000 п.о., что на порядок больше размера кодирующей части гена. Таким образом, в геномах эукариот имеется огромное пространство для регуляторной эволюции. Для чего многоклеточным эукариотам нужна столь сложная регуляторная машина, контролирующая функцию генов? Объясняется это тем, что один и тот же ген в многоклеточном организме должен по разному функционировать в разных клетках, тканях и органах и в ответ на различные воздействия внешней среды. В зависимости от клеточной, органной, тканевой ситуации, действия различных индукторов и т.д. в ядре конкретной клетки присутствует вполне определенный набор регуляторных белков — транскрипционных факторов, которые, связываясь с определенной группой сайтов в пределах регуляторного района гена, формируют тот или иной вариант транскрипционного комплекса, обеспечивая вполне определенный пространственно-временной паттерн экспресии этого гена.
Согласно синтетической теории эволюции, элементарной единицей существования видов являются популяции (рис. 12). Это — аксиома генетики и теории эволюции. В чем, с этой точки зрения, состоит принципиальная сложность эволюционного возникновения нового вида в рамках популяции-основателя? Для этого необходимо выполнение некоторых условий, которые сформулировал известный биолог-эволюционист Гольдшмидт, называвший основателей нового вида «многообещающими монстрами». Во-первых, они должны быть носителями определенного комплекса мутаций, обеспечивающих формирование качественно новых фенотипических признаков, которые позволят кардинально изменить взаимоотношения организмов с окружающей средой (например, освоить принципиально новые экологические ниши). Во-вторых, в популяции должно присутствовать минимально необходимое множество особей, несущих такие мутации, что обеспечивает ее устойчивое воспроизведение в ряду поколений. Здесь имеется в виду устойчивость по отношению к стохастике, которая является важнейшим фактором эволюции популяций (случайные флуктуации частот аллелей и размеров популяции могут приводить к потере «многообещающих монстров»).
Прежде всего, возникает вопрос о том, что из себя представляют подобного рода мутации, которые, с одной стороны, приводят к выраженным комплексным фенотипическим изменениям, и, с другой стороны, могут одновременно возникать у нескольких особей в популяции. Очевидно, что вероятность возникновения таких мутаций должна быть исключительно мала.
Предполагается — и эта точка зрения уже дискутировалась в докладе академика Сергея Васильевича Шестакова, — что в природе подобного рода мутации могут возникать в результате горизонтального переноса информации.
В настоящее время фенотипические эффекты горизонтального переноса генетической информации у многоклеточных можно моделировать с помощью методов генной инженерии. На рисунке 13 показаны результаты эксперимента по формированию зачатков глаз у дрозофилы, трансформированной транспозоном, содержащим искусственную генно-инженерную конструкцию (Gehring. 1996). Под действием генетической конструкции, содержащей ген мыши, контролирующий начало развития глаза, и энхансера, работающего в клетках ног, головы и крыльев дрозофилы, на поверхности указанных органов дрозофилы формировались зачатки фасеточных глаз. Конечно, сформированные структуры не являются функционирующими глазами. Однако, они содержат существенные элементы этого сложного органа.
Этот результат иллюстрирует потенциально важную роль горизонтального переноса (одновременно с действием мобильных генетических элементов) в формировании качественно новых фенотипических признаков у многоклеточных (рис. 13).
Генные инженеры, использующие методы трансгенеза, экспериментально моделирующего горизонтальный перенос генетической информации, добились впечатляющих результатов в качественнном изменении фенотипа растений. На рисунке 14 приведен центральный фрагмент генной сети, контролирующей развитие цветка — важнейшего органа, обеспечивающего воспроизведение. Важнейшую роль в функционировании этой генной сети играют так называемые MADS-белки, и их гены, образующие своеобразный молекулярно-генетический автомат — систему, функционирующую в определенном количестве дискретных режимов. Этот автомат, в зависимости от свойств его регуляторных белков (MADS-белков) и особенностей их взаимодействия с регуляторными районами генов, может реализовывать различные генетические программы развития цветка, координировано контролируя экспрессию множества генов, работающих на различных стадиях развития цветка. Эксперименты по трансгенезу на арабидопсисе показывают, что перенос генов, кодирующих подобного рода регуляторные белки, может приводить к качественному изменению морфологии растения. В зависимости от того, какой вариант MADS-гена был перенесен, возможно появление растений с принципиально отличающимися фенотипическими признаками.
Например, возможно возникновение карликовых растений с ранним цветением, извитыми листьями и терминальным цветком. Возможен цветок из двух рядов лепестков и тычинок, в котором чашелистики замещаются лепестками, а пестик тычинками, возможен фенотип, в котором первые истинные листья превращены в лепестки и т.д. (рис. 15).
Рассматривая подобные трансгенные растения арабидопсиса с генетической точки зрения, примем, прежде всего, во внимание, что их геномы практически идентичны (так как отличаются лишь небольшими фрагментами геномной ДНК, соответствующими перенесенным MADS-генам. С другой стороны, они характеризуются принципиально выраженными морфологическими различиями, которые с точки зрения классической систематики растений, требуют отнесения этих растений к различным таксонам. Этот пример наглядно демонстрирует, что искусственно созданные выраженные фенотипические изменения, обусловленные горизонтальным переносом регуляторных геномных последовательностей, сопоставимые с фенотипические изменениями, происходящими при видообразовании, могут быть обусловлены весьма незначительными (по отношению к размеру генома) регуляторными геномными мутациями. Они также демонстрируют принципиальное отсутствие корреляций между степенью морфологической и геномной дивергенции у растений. Действительно — для получения выраженной морфологической дивергенции достаточно замены только одного (но регуляторного!) гена из 13 тысяч генов в геноме.
Фактически, горизонтальный перенос генетической информации, особенно в тех случаях, когда его мишени — регуляторные системы организмов, являются мощным источником мутационной изменчивости, в первую очередь — такой, которая существенно снижает приспособленность организмов к характерным условиям их существования. Поэтому организмы любой таксономической принадлежности (бактерии, растения, животные) имеют специфические механизмы защиты от внедрения чужеродной генетической информации, последствия которой (мутагенез, возникновение высокого уровня генотипической и фенотипической изменчивости, снижение приспособленности и т.д.) проиллюстрированы приведенными выше примерами. Эти механизмы абсолютно необходимые для устойчивого воспроизведения и функционирования а также фенотипической и генотипической консолидации организмов в пределах популяций, работают на молекулярно-генетическом, клеточном, физиологическом, поведенческом, организменном и популяционном уровнях.
Горизонтальный перенос генетической информации играл и, видимо, продолжает играть важнейшую роль в эволюции прокариот, которые имеют для этого специальные механизмы (трансдукция, сексдукция, трансформация, перенос плазмид, и т.д.). Отсюда следует, и это тоже обсуждалось в докладе С.В. Шестакова, что понятие вида у бактерий плохо определено и может иметь условное значение. Что же касается эукариот, то в их эволюции полнее реализовался один из важнейших векторов прогрессивной эволюции, который, согласно И.И. Шмальгаузену, направлен на совершенствование механизмов автономизации от повреждающего влияния внешней среды. При этом следует учитывать, что современная эукариотическая клетка является продуктом как минимум одного для животных и двух для растений симбиозов между различными древними прокариотами, в ходе которых возникли митохондрии и хлоропласты. Таким образом, у эукариот появились две разновидности горизонтального переноса: перенос между ядром и органеллами в одной клетке и перенос между ядрами разных клеток. То есть внутриклеточный и межорганизменный горизонтальный перенос. Очевидно, что механизмы защиты от внедрения чужеродной генетической информации, сформировавшиеся еще до симбиоза, блокировали в первую очередь межорганизменный перенос, как единственно возможный у прокариот. Поэтому, не отрицая роль межорганизменного горизонтального переноса в естественной эволюции видов и процессах видообразования, можно полагать, что у эукариот, особенно многоклеточных, она играет меньшую роль в генерации генотипической изменчивости, чем у бактерий.
Иное дело — внутриклеточный перенос. На ранних стадиях симбиогенеза эукариот, возможно еще до образования полноценного ядра, шел, вероятно, массовый перенос генетического материала из генома органелл в ядро. Доказательства такого интенсивного переноса генов получены при сравнении полных геномов арабидопсиса, дрожжей и бактерий, включая цианобактерию Synechocystis (предполагается, что предками пластид растений были цианобактерии) (Rujan, Martin, 2001). На филогенетических деревьях для каждого гена арабидопсиса и его гомологов в других организмах, выявляли случаи, когда ген растения находился на одной ветви с гомологичным геном цианобактерии. Из 3961 рассмотренного гена арабидопсиса статистическим критериям близости на филогенетическом дереве цианобактерий отвечало от 1,6% до 9,2% генов. Учитывая, что в ядерном геноме арабидопсиса 25000 генов, верхняя и нижняя оценки для привнесенных горизонтально от цианобактерии генов составляют 400 — 2200 генов (рис. 16). Гибридизация in situ показывает, что у цветковых растений перенос генов из митохондрий в ядро был нередок и происходил в разных линиях многократно и независимо (Gray, 2000).
Конечно, и в настоящее время геномы высших организмов являются постоянными мишенями процессов горизонтального переноса генетической информации. Однако, вопрос об их эволюционной роли остается открытым. Тем не менее, известен один пример, когда если не сама горизонтально перенесенная генетическая информация, но следствие такого переноса может сформировать тренд движущего отбора. Как известно, вирус СПИДа обладает слабой трансмиссивной способностью. Подобные заболевания редко выходят на уровень пандемии. Вирусу СПИД «помог» горизонтальный перенос в человеческой популяции. Под таковым следует считать гомосексуальные связи и перенос с засохшей кровью на шприце наркомана. В итоге, число ВИЧ-инфицированных увеличилось настолько, что вероятность заражения обычным путем возросла и ВИЧ-инфекция приняла характер глобальной пандемии. Известно, что носители делеции CCR5-дельта 32 в гене CCR5-рецептора бета-хемокина обладают устойчивостью к развитию ВИЧ-инфекции. Следовательно, ВИЧ-инфекция является развившимся в ходе горизонтального переноса глобальным фактором эволюции человека, который может в течение нескольких поколений привести к положительной селекции популяций человека по делеционному варианту гена CCR5-рецептора бета-хемокина и связанным с ними генам, входящим в состав различных генных сетей.
Рассмотрим теперь регуляторные мутации второго типа — затрагивающие взаимодействия между генами (рис. 5). В результате подобного рода мутаций может происходить изменение функции не отдельного гена, а целой группы генов, входящих в состав определенной генной сети. Особенно чувствительны к регуляторным мутациям генные сети, содержащие регуляторные контуры с положительными обратными связями. К их числу относятся, прежде всего, генные сети, обеспечивающие рост и дифференцировку клеток, морфогенез тканей и органов, развитие организмов, а также генные сети, обеспечивающие стрессовые реакции на изменение состояния внешней среды.
Положительные обратные связи обеспечивают эффективное отклонение контролируемого параметра Х от его текущего значения. Они играют ключевую роль в генных сетях роста и дифференцировки клеток, морфогенеза органов, роста и развития организмов, при которых система непрерывно уходит от своего текущего состояния.
Например, генная сеть дифференцировки и созревания эритроцитов (рис. 17) запускается эритропоэтином. Связываясь с клеточным рецептором, он включает протеинкиназный путь передачи сигнала в ядро клетки. В результате в ядро перемещаются транскрипционные факторов, активирующие транскрипцию ряда генов, и в их числе — гена, кодирующего фактор GATA-1. Он является ключевым в генной сети эритропоэза. Сайты его связывания найдены в регуляторных районах всех эритроидспецифичных генов, в том числе — и в промоторе самого гена GATA1. Это обеспечивает самоактивацию транскрипции гена GATA1 по механизму положительной обратной связи после ее запуска под действием первичного стимула, полученного через путь передачи сигналов. Промотор гена, кодирующего эритропоэтиновый рецептор, также содержит сайт связывания фактора GATA1, активирующий его транскрипцию. Так замыкается еще один цикл положительных обратной связи повышения концентрации GATA1: сигнал от эритропоэртина через его рецептор активирует транскрипцию фактора GATA1, который в свою очередь стимулирует транскрипцию рецептора эритропоэтина. Как центральный регулятор генной сети, GATA1 обеспечивает одновременную активацию большой группы генов необходимых для дифференцировки эритроцита.
На рисунке 18 показан фрагмент еще одной генной сети, функционирующей по механизму положительной обратной связи, которая контролирует клеточную смерть — апоптоз.
Программа самоуничтожения клетки запускается, во-первых, при патологических состояниях — существенных отклонениях молекулярных и физиологических параметров клетки от нормы, например при раковых трансформациях клеток.
Во-вторых, апоптоз (генетически запрограммированная гибель клеток) — один из основополагающих механизмов, определяющих нормальные процессы онтогенеза. В онтогенезе важно не только формирование новых типов дифференцированных клеток, но и элиминация определенных групп старых клеток, сформировавшихся на предыдущих этапах этого процесса. Качественно говоря, на каждом этапе онтогенеза апоптоз обеспечивает «демонтаж» ряда морфологических структур, которые были необходимы для правильного протекания предыдущих стадий онтогенеза и функционирования развивающего организма. В частности, экспериментально показано важнейшее значение апоптоза для развития дрозофилы и мозга человека.
Один из путей активации генетической сети апоптоза основан на взаимодействии FasL лиганда c Fas рецептором, локализованным в клеточной мембране (рис. 19). В результате этого происходит активация каспазного каскада — пути передачи сигнала, основанного на взаимной активации протеаз, который активирует генную сеть апоптоза. Касапазный каскад работает по механизму положительной обратной связи, обеспечивая многократное усиление исходного сигнала, подающегося на мембрану клетки в форме FasL лиганда. Если сравнить молекулярную массу исходного белка FasL, запускающего генную сеть апоптоза, и полную массу разрушенной клетки, то различие составляет ~ 1010. Фактически, эта величина иллюстрирует высочайшую степень усиления, достигаемую в путях передачи сигналов при их функционировании по механизму положительной обратной связи.
Естественно, что при выполнении антиканцерогенной функции процесс уничтожения распознанных трансформированных клеток по механизму апоптоза должен идти очень быстро и безальтернативно приводить к их элиминации. Для этого принципиально важно такое свойство генной сети апоптоза, как высокая чувствительность к активирующим ее слабым сигналам. Такие же требования к апоптозу предъявляет процесс онтогенеза, когда для его правильного протекания необходимо уничтожение определенных групп клеток в строго определенные моменты индивидуального развития. Именно этими обстоятельствами объясняется высокая степень усиления сигнала в процессе активации генной сети апоптоза по механизму положительной обратной связи.
На качественном уровне аналогом генных сетей с каскадами положительных обратных связей являются так называемые «самоорганизованные сверхкритичные» системы, широко известные в физике и механике (рис. 20). Типичный пример подобного рода систем — снежная лавина, в которой масса (энергия) пришедшего в движение снега на много порядков превышает массу (энергию) исходного воздействия.
Какие же следствия для эволюционного процесса может иметь наличие положительных обратных связей? Представляется, что положительные обратные связи в генных сетях являются одной из наиболее уязвимых мишеней мутационных воздействий. Обладая выраженными нелинейными характеристиками, они очень чувствительны к мутационным изменениям внутренних параметров, что может приводить к выраженным количественным и качественным изменениям фенотипических характеристик, контролируемых генными сетями (рис. 21).
Например, в случае генных сетей, вовлеченных в процессы индивидуального развития, следует ожидать, что даже незначительное мутационное ускорение или замедление отдельного процесса в регуляторном контуре с каскадом положительных обратных связей может приводить к изменению времени закладки и формирования тех или иных морфологических структур и, как следствие, выраженным нарушениям онтогенеза или даже радикальным изменениям траектории этого процесса., то есть не только количественным, но и качественным фенотипическим изменениям. Мы полагаем, что именно регуляторные контуры с каскадами положительных обратных связей, вовлеченные в процессы клеточной дифференцировки и регуляцию онтогенеза, являются наиболее вероятными мишенями макроэволюционного процесса, связанного с видообразованием.
Как правило, генные сети организованы так, что каждая из них имеет один центральный регулятор — транскрипционный фактор, одновременно активирующий большую группу (кассету) генов. На рис. 22 показаны примеры кассет генов, активируемых центральными регуляторами в генных сетях клеточного цикла, теплового шока и дифференцировки эритроцита. Иногда центральный регулятор может активировать до десятков генов одновременно. Кассетная активация больших групп генов необходима потому, что они кодируют белки, которые одновременно и в стехиометрических количествах должны присутствовать в клетке для выполнения определенных молекулярно-генетических или метаболических процессов. Например, при дифференцировке эритроцита фактор GATA1 активирует кассету генов, кодирующих все ферменты, обеспечивающие биосинтез гема, а также и a- и b-субъединицы гемоглобина, то есть весь набор молекулярных компонент, необходимых для формирования молекулы гемоглобина, содержащей гем, а также 2 a- и 2 и b-субъединицы.
Рассматривая проблему появления в ходе эволюции качественно новых фенотипических признаков (например, на функциональном уровне — возникновение новых физиологических систем, а на морфологическом уровне — появление новых органов), следует отметить что для их возникновения требуется одновременное изменение функции большого количества генов (кодируемых ими белков). Вероятность того, что подобные изменения возникнут в результате независимого возникновения мутаций по всей группе генов одновременно, пренебрежимо мала. Любая мутация, затрагивающая центральный регулятор интересна тем, что в этом случае одновременно изменяется работа всего комплекса контролируемых генов, контролируемых этим регулятором. Это — особый тип так называемых системных мутаций, способных приводить к координированному изменению функций множества генов одновременно и, как следствие, к изменению множества определяемых ими фенотипических признаков (рис. 23). Именно поэтому подобные мутации имеют большой эволюционный потенциал.
Еще один тип системных мутаций связан с существованием так называемых генных сетей-интеграторов (рис. 24), они были выявлены нами при изучении генных сетей, описанных в базе данных GeneNet. Эти генные сети играют важную роль в интеграции и координации функции локальных генных сетей, ответственных за выполнение определенных целевых функций. Замечательный пример такой сети-интегратора — это генная сеть регуляции уровня свободных радикалов, обеспечивающая адаптацию к окислительному стрессу. При противовоспалительном ответе эта генная сеть обеспечивает активацию большой кассеты связанных с нею генных сетей: (1) противовоспалительного ответа; (2) остановки клеточного цикла; (3) апоптоза; (4) катаболизма железа; (5) теплового шока и ряда других.
Что делает такая генная сеть-интегратор? Через систему рецепции она получает внешний активирующий стимул, трансформирует его в разнообразные специфические формы и распределяет полученные таким образом сигналы через свои выходы, связанные с другими генными сетями, обеспечивая их активацию. В свою очередь, каждая из этих генных сетей передает полученные сигналы другим связанным с ними генным сетям. Фактически, генные сети-интеграторы — ключевые элементы, обеспечивающие передачу возбуждения через узлы глобальной генной сети организма (рис. 25).
Таким образом, если для отдельной генной сети характерна кассетная активация больших групп генов центральным белком — регулятором, то на ирерахически более высоком уровне, соответствующем глобальной генной сети организма, может происходить активации больших кассет генных сетей центральными генными сетями-интеграторами.
Вполне реалистичной является ситуация, когда мутационные изменения, затрагивающие генную сеть-интегратор, приводят к одновременному изменению функций множества связанных с ней генных сетей и, как следствие этого, к координированному изменению большой группы определяемых ими фенотипических признаков. При этом следует ожидать фенотипических изменений существенно больших масштабов по сравнению с ситуацией, когда происходят мутационные повреждения затрагивают отдельную генную сеть (например, вследствие мутаций, затрагивающих центральный белок-регулятор) (рис. 26).
Еще один замечательный пример системных мутаций — это мутации, качественно изменяющие динамические свойства генных сетей. Этот класс мутаций был выявлен нами при исследовании так называемых гипотетических генных сетей (ГГС), то есть искусственных генных сетей с заданной схемой взаимодействия между генами. На рис. 27 представлена ГГС, содержащая 4 гена. Каждый из них кодирует белок мультимерная форма которого обладает способностью подавлять транскрипцию ряда других генов. В единственном устойчивом состоянии этой генной сети 1 (независимо от начальных данных) в клетке присутствует белок Р4, а все остальные белки отсутствуют. Рассмотрим теперь мутацию, приводящую к возникновению новой регуляторной связи — репрессию гена g4 мультимерным белком, продуктом гена g1, обозначенную на рис. 28 жирной голубой стрелкой. В этом случае динамический портрет генной сети качественно меняется: имеется два устойчивых состояния. Генная сеть может попасть в одно из них в зависимости от начальных данных. Первое устойчивое состояние (рис. 28а), как и ранее соответствует ситуации, когда в клетке присутствует белок P4, а все остальные белки имеют нулевую концентрацию. Второе качественно отличающееся состояние — это устойчивый предельный цикл по трем белкам при постоянной нулевой концентрации белка Р4 (рис. 28b). Таким образом, возникновение в результате мутации новой регуляторной связи может привести к качественному изменению динамического поведения генной сети. Новая генная сеть в зависимости от начальных данных может находиться либо в устойчивом стационарном состояние, либо в состоянии устойчивого цикла.
Такая мутация, во-первых, может затрагивать кодирующий район гена, обеспечивая мутантному регуляторному белку способность взаимодействовать с новым сайтом связывания в другом гене. Во-вторых, такая мутация может произойти в регуляторном районе гена, обеспечив формирование нового сайта связывания, с которым будет взаимодействовать регуляторный белок, кодируемый другим геном. Насколько вероятным событием может быть приобретение генной сетью ходе эволюции новой регуляторной связи по указанному механизму? С учетом того, что указанное событие может быть обусловлено одиночной мутацией, мы полагаем, что это может быть достаточно вероятное эволюционное событие.
Теперь мы переходим к проблеме дестабилизирующего отбора. Академик Дмитрий Константинович Беляев (рис. 29) в течение десятков лет в Институте цитологии и генетики СО РАН проводил эксперименты по доместикации диких лисиц. Была поставлена цель провести селекцию диких лисиц на дружественное поведение к человеку. Дикие лисицы характеризуются агрессивным поведением по отношению к человеку (рис. 30). В результате селекции через не очень большое количество поколений (10-15) были получены популяции лисиц, которые имеют очень дружественное поведение по отношению к человека. Такие лисицы похожи по своему поведению на домашнюю собаку или кошку (рис. 31). Одновременно с этим отбор по поведению приводил к большому комплексу системных фенотипических отклонений от нормы; резкому увеличению размаха фенотипической изменчивости, частым нарушениям отдельных стадий онтогенеза, в том числе тех, которые приводили к нарушениям симметрии организма. Важно также то, что особенности фенотипической дестабилизации сами по себе проявляли генетическую нестабильность (имели высокую частоту реверсии в ряду поколений). В целом в результате подобного рода отбора происходила выраженная комплексная дестабилизация фенотипа, как в морфо-физиологическом (рис. 32, 33), так и популяционно-генетическом аспектах, в связи с чем этот отбор и был назван дестабилизирующим. На рисунке 33 представлен пример лисицы с «дестабилизацией» фенотипа. У нее передние ноги существенно короче, чем задние, причем одна задняя нога значительно короче, чем другая. У доместицированных лисиц появляются признаки окраски меха, которые характерны для домашних животных, например, звездочки (рис. 32).
Каковы же механизмы дестабилизирующего отбора и могут ли они дать знания о механизмах видообразования? С содержательной точки зрения дестабилизирующий отбор — не просто движущий отбор, характеризующийся высокой интенсивностью. Принципиально важно, что интенсивный движущий отбор ведется по регуляторным системам иерархически высокого уровня. Действительно, отбор по поведению является отбором по комплексу нейрогуморальных регуляторных систем, занимающих высший ранг в иерархии управления всеми функциями организмов животных (рис. 34). Для более глубокого понимания механизмов дестабилизирующего отбора рассмотрим некоторые результаты, полученные при математическом моделировании закономерностей эволюции регуляторных контуров организмов.
Отклонение параметра Х, контролируемого отрицательной обратной связью, от оптимального значения Х0 может быть обусловлено не только влиянием факторов внутренней или внешней среды, но также иметь мутационную природу (рис. 35). Рассмотрим простейшую систему, в которой концентрация белка определяется двумя процессами: его биосинтезом и деградацией. Возмущающими воздействиями, отклоняющими концентрацию белка от нормы, являются мутации, снижающие конформационную стабильность белка и в следствие этого повышающие скорость его деградации.
Предполагается, что скорость биосинтеза белка регулируется по механизму отрицательной обратной связи: чем больше концентрация белка, тем ниже скорость биосинтеза и наоборот. Не рассматривая здесь деталей, подчеркнем, что механизмы с отрицательными обратными связями, как правило, в очень жестких пределах регулирует параметры организмов). Причем, контроль является тем более жестким, чем более значимым для организма является тот или иной параметр.
Вероятность возникновения в популяции особи, несущей мутантный белок с конформационной стабильностью Ei задается нормальным распределением интенсивности мутационного процесса — параметром АSe (рис. 36).
Как реагирует рассматриваемая регуляторная систем на мутации? Как зависит фенотипическое проявление мутаций от силы регуляторного контура? В качестве характеристики, описывающей спектр фенотипической изменчивости, рассматривается распределение встречаемости особей в популяции, имеющих различную концентрацию белка X (далее называемое мутационным спектром исследуемой молекулярно-генетической системы).
Концентрация белка Хi у i-ой особи описывается соотношением, приведенным на рисунке 36; здесь С2, С3, С4, С5 — параметры (константы) рассматриваемой регуляторной системы.
В условиях стабилизирующего отбора, при постоянной внешней среде, приспособленность организма Wi определяется близостью концентрации белка Х (в общем случае — фенотипической характеристики Х) к ее оптимальному для данных средовых условий значению Х0 (рис. 36): чем ближе эти величины, тем больше приспособленность.
На рисунке 36 приведены мутационные спектры системы при различной силе отрицательной обратной связи kf: Kf=1 соответствует очень сильной отрицательной обратной связи, Kf=0.1 умеренной силе; kf=0.03 — очень слабой отрицательной обратной связи.
Для особей со слабой обратной связью (kf=0.03) характерна большая величина изменчивости концентрации белка Х связи. Усиление обратной связи (Kf=0.1) ведет к уменьшению наблюдаемой величины изменчивости, то есть сужению мутационного спектра.
При сильной обратной связи (Kf=1) изменчивости по переменной Х минимальна. Таким образом, отрицательная обратная связь минимизирует фенотипическое проявление мутаций, уменьшая отклонение концентрации мутантного белка от нормы. Это происходит за счет повышения скорости биосинтеза белка при мутациях, увеличивающих скорость его деградации и уменьшения скорости биосинтеза при мутациях, снижающих скорость деградации.
Итак, отрицательная обратная связь за счет компенсаторного изменения интенсивности регулируемых процессов минимизирует фенотипическое проявление мутаций, то есть происходит «нейтрализация» мутационного спектра. Этот термин подчеркивает, что значительная часть мутаций, являющихся без регуляторного контура повреждающими или адаптивными, в его присутствии становятся нейтральными. Этот вывод согласуется с представлениями Шмальгаузена о компенсаторном эффекте регуляторных систем, минимизирующем фенотипическое проявление мутаций.
Рассмотрим теперь результаты моделирования эволюции популяции особей под действием мутационного процесса и отбора (рис. 37). Исследована ситуация, когда первоначально 50% особей имели отрицательную связь, а у остальных она отсутствовала. Размножение особей осуществлялось в соответствии с их приспособленностью, зависящей от концентрации белка. Чем ближе концентрация белка у мутантной особи Хi к оптимальной величине Х0, тем выше ее приспособленность (см. рис. 37). Оказалось, что в постоянных условиях среды особи с отрицательной обратной связью имеют эволюционное преимущество над особями без нее (рис. 37) Это проявляется в элиминации особей без регуляторного контура из популяции, в то время как особи с отрицательной обратной связью становятся нормой. Стабилизирующий отбор действует в постоянных условиях среды. Он повышает приспособленность тех особей, жизненно важный параметр которых X имеет значение Хо, оптимальное для данных условий среды. Мутационный процесс приводит к возникновению особей с отклонениями параметра Х от нормы. При этом снижение приспособленности минимально у особей с отрицательной обратной связью. Естественно, что в этой ситуации отбором бракуются особи, не имеющие отрицательной обратной связи, в то время как нормой становятся особи с отрицательной обратной связью.
Итак, «нейтрализация» повреждающего действия мутаций имеет ряд фундаментальных эволюционных следствий. Одно из них состоит в том, что, минимизируя негативное действие мутаций, отрицательные обратные связи повышают приспособленность несущих их организмов. И этот компенсаторный эффект тем более выражен, чем больше сила отрицательной обратной связи. Именно этим объясняется тот факт, что в случае стабилизирующего отбора (при постоянных условиях среды) особи с отрицательной обратной связью имеют явное эволюционное преимущество над особями без этого контура регуляции, вытесняя их из популяции. Таким образом, стабилизирующий отбор является фактором возникновения и совершенствования отрицательных обратных связей.
Приведенные результаты наглядно иллюстрируют центральную идею открытого И.И. Шмальгаузеном стабилизирующего отбора. В ходе стабилизирующего отбора, действующего в условиях постоянной среды, происходит формирование регуляторных систем с отрицательными обратными связями, обеспечивающими автономизацию организмов от повреждающих влияний среды, увеличивающих надежность хранения и реализации наследственной информации, повышающих надежность процессов индивидуального развития. Подобного рода автономизацию от окружающей среды И.И. Шмальгаузеном и называл прогрессивной эволюцией. С этой точки зрения очевидно, что именно человек является «венцом» прогрессивной эволюции, так как, приобретя в ходе эволюции сознание, он оказался способен строить искусственную окружающую среду, обеспечивающую максимально полную автономизацию от повреждающего влияния среды естественной.
Однако, преимущество отрицательной обратной связи исчезает при движущем отборе — однонаправленном монотонном изменении внешней среды (рис. 38). В этом случае оптимальная концентрация белка Х0, от которой зависит приспособленность, на каждом этапе моделирования меняется на величину Dxo, которая определяет интенсивность изменения среды. Оказалось, что при движущем отборе более высокой приспособленностью обладают особи без отрицательной обратной связи, а особи с отрицательной обратной связью вытесняются из популяции. Механизм этого явления состоит в следующем.
Отрицательная обратная связь поддерживает параметр Х, от которого зависит приспособленность, на постоянном уровне Хо, не зависящем от изменений внешней среды). Фактически, в этом случае отрицательная обратная связь препятствует адаптации особей к новым условиям за счет поддержания критического значения параметра организма Х на постоянном уровне, не соответствующем постоянно и однонаправленно изменяющимся условиям внешней среды.
Так как для выживания популяции в изменившихся условиях среды необходимо увеличение размаха фенотипической изменчивости (Рис. 39), при движущем отборе более высокую приспособленность могут иметь некоторые из организмов с ослабленной отрицательной обратной связью Таким образом, в этом случае идет отбор на ослабление отрицательной обратной связи, приводящий к вскрытию замаскированной изменчивости. При полном разрушении отрицательной обратной связи в популяции будет вскрываться вся замаскированная генетическая изменчивость, обеспечивая максимальный разброс величины фенотипического признака с существенными фенотипическими отличиями от нормы. Итак, эволюционная адаптация к новым средовым условиям требует обязательного разрушения или радикальной перестройки регуляторных контуров с отрицательной обратной связи.
Следует подчеркнуть, что при стабилизирующем и движущем отборах процесс эволюции идет в противоположных направлениях. В условиях стабилизирующего отбора (постоянная среда) происходит увеличение силы отрицательных обратных связей (рис. 40б, 41б, 42б) и усиление эффекта нейтрализации мутационных спектров (рис. 40а, 41а, 42а). При движущем отборе (монотонное однонаправленное изменение критического параметра среды) происходит уменьшение силы отрицательных обратных связей (рис. 43б, 44б) и ослабление эффекта нейтрализации мутационных спектров (рис. 43а, 44а).
Вывод: при разрушении регуляторных контуров с отрицательными обратными связями, происходит вскрытие замаскированной генотипической изменчивости и появление в популяции особей с существенными фенотипическими отличиями от «нормы» (рис. 45).
Рассмотрим на качественном уровне особенности эволюции регуляторных систем с отрицательными обратными связями в иерархически организованных молекулярно-генетических системах. На рисунке 46 представлен пример простейшей иерархически организованной системы, в которой фенотипический признак Y зависит от величины признака Х, формируемого на иерархически более высоком уровне. Например, в качестве признака Х может выступать концентрация определенного гормона, ростового фактора или метаболита, определяющая интенсивность процесса роста определенного органа. В простейшем варианте в качестве признака Y может выступать, например, размер органа. Величина Y описывается функцией с экспоненциальным членом, зависящем от величины иерархически высокого признака Х и времени развития t.
Очевидно, что в этом случае изменчивость по признаку Х будет экспоненциально усиливаться на уровне признака Y (рис. 47). Этот эффект называется гиперманифестацией изменчивости по признаку Y при мутационной изменчивости по признаку Х иерархически высокого уровня.
Будем предполагать, что приспособленность особи в популяции зависит от величины признака Y. Ясно, что при достаточно большой изменчивости по признаку Х изменчивость по признаку Y может быть настолько большой, что суммарная приспособленность популяции будет близка к нулю. Какова может быть эволюционная стратегия стабилизирующего отбора, обеспечивающего повышение приспособленности популяции в постоянных условиях среды? Это может быть достигнуто за счет формирования регуляторного контура с отрицательной обратной связью, контролирующего признак Х (рис. 48). Такая обратная связь, снижая изменчивость по признаку Х, одновременно будет обеспечивать экспоненциальное уменьшение изменчивости по признаку Y, повышая приспособленность популяции. Таким образом, стабилизирующий отбор является фактором регуляторного усложнения иерархически организованных систем организмов.
С другой стороны, при движущем отборе по признаку Y следует ожидать разрушения отрицательной обратной связи, контролирующей признак Х (рис. 47) и восстановления гиперманифестации по признаку Y, что может повысить приспособленность популяции в условиях движущего отбора.
Проведенное рассмотрение эволюции регуляторных контуров при стабилизирующем и движущем отборах позволяет на качественном уровне описать начальные эффекты дестабилизирующего отбора. Как указывалось ранее, при стабилизирующем отборе происходит возникновение и/или усиление ранее существовавших регуляторных контуров с отрицательными обратными связями, обеспечивающее нейтрализацию мутационных спектров и минимизацию размаха фенотипической изменчивости. В том числе, и это особенно существенно, происходит формирование отрицательных обратных связей иерархически высокого уровня для снижения эффекта гиперманифестации фенотипической изменчивости на иерархически подчиненных уровнях молекулярно-генетических систем организмов.
При движущем отборе, как отмечалось выше, процессы идут в противоположном направлении. Происходит ослабление или полное разрушение некоторых ранее существовавших регуляторных контуров с отрицательными обратными связями, вскрытие ранее замаскированной фенотипической изменчивости.
Дестабилизирующий отбор является особой формой движущего отбора, который характеризуется двумя особенностями: (1) исключительно высокой интенсивностью (большой коэффициент отбора); (2) тем, что вектор отбора направлен на регуляторные контуры иерархически высокого уровня (в данном случае, связанные с функционированием нейро-эндокринной системы, так как отбор ведется по поведению). В этом случае следует ожидать ослабления (или полного разрушения) некоторых отрицательных обратных связей иерархически высокого уровня, обеспечивающее гиперманифестацию фенотипической изменчивости на иерархически подчиненных уровнях молекулярно-генетических систем организмов. Далее, может происходить вскрытие ранее замаскированной фенотипической изменчивости и ее гиперманифестация когда реактически усиливаются эти проявления, проходя через систему онтогенеза и через иерархию регуляторных органов.
Фактически, в процессе эволюции популяций, когда постоянные условия среды сменяются (в эволюционных масштабах времени) их выраженными изменениями, имеют место так называемые «эволюционные качели» сопровождающиеся изменением типа отбора: стабилизирующий < ——— > движущий (дестабилизирующий)) (рис. 49).
В результате дестабилизирующего отбора происходит «срыв» контуров регуляции с отрицательными обратными связями. Прекращается действие эффекта обнейтраливания, ранее маскировавшего проявления имевшейся генотипической изменчивости. В этом случае следует ожидать взрывообразного увеличения размаха фенотипической изменчивости, ранее маскировавшейся компенсаторными эффектами регуляторных контуров. Особенно существенно, что происходит вскрытие генотипической изменчивости, затрагивающей иерархически высокие уровни организации. При этом эффект гиперманифестации является тем более выраженным, чем чем более высокие иерархические уровни управления оказались разрушены в ходе дестабилизирующего отбора.
Следует отметить еще одно обстоятельство. Как отмечал Шмальгаузен, вектор прогрессивной эволюции направлен в сторону повышения надежности процессов передачи и реализации генетической информации. Именно этим объясняется тот факт, что в нормальных условиях процесс онтогенеза очень сильно канализирован и обладает высокой устойчивостью по отношению к малым флуктуациям параметров внешней и внутренней среды (в том числе — имеющим мутационную природу). Существенно, однако, что молекулярно-генетические системы, контролирующие процессы развития, описываемые системами нелинейных дифференциальных уравнений, могут быть динамически неустойчивы по отношению к мутационному изменению некоторых параметров. Потеря динамической устойчивости в процессе индивидуального развития может приводить к выраженным морфологическим и физиологическим отклонениям на уровне целостного организма. Потеря динамической устойчивости при прохождении критических стадий онтогенеза может приводить к стохастическому выбору одной из альтернативных траекторий развития. Схематически это представлено на рисунке 50. В нормальных условиях, когда значение управляющего параметра лямбда (в качестве которого может выступать концентрация некоторого индуктора, гормона, нейромедиатора и т.д.), определяющего протекание определенной стадии онтогенеза, лежит в нормальных границах, при происходит устойчивое движение по нормальной траектории развития S1. В случае разрушения регуляторного контура может происходить скачкообразное изменение величины параметра лямбда с возможностью стохастического выбора одной из альтернативных траекторий развития (S1, S2).
Мы предполагаем, что высокая частота возникновения морфологических изменений, наблюдающаяся при дестабилизирующем отборе и их крайняя неустойчивость в ряду последовательных поколений (с высокой ~ 10-2) частотой инверсий к нормальному фенотипу может объясняться именно этим обстоятельством. Подобное объяснение согласуется с представлением Д.К. Беляева о том, что в некоторых экологических ситуациях дестабилизирующий отбор приводит к ломке сложившихся в предшествующей эволюции систем онтогенеза т.е. дестабилизации онтогенеза, к резкому повышению темпов и размаха наследственной изменчивости (см. Беляев, 1987). Наблюдается это в условиях жесткого движущего отбора, когда затрагиваются регуляторные системы высшего иерархического уровня (в частности, нейрогуморальная система).
В заключительной части доклада обсудим некоторые аспекты проблемы сложности организации и генетических систем и тренды ее эволюции. В любой генетической сети можно выделить исполняющую компоненту, обеспечивающую выполнение базового процесса или функции и компоненту регуляторную, обеспечивающую настройку протекающих процессов на необходимый уровень интенсивности в зависимости от внутреннего состояния организма и критических параметров внешней среды.
Рассмотрим в качестве примера цикл трикарбоновых кислот Escherichia сoli K-12 — общий конечный путь окислительного катаболизма всех видов клеточного топлива в аэробных условиях. Начнем с исполнительной компоненты этого цикла, которая включает все метаболические процессы, необходимые для его осуществления. На рисунке 51 представлен двудольный граф компьютерной модели, описывающей все метаболические процессы в цикле трикарбоновых кислот.
Теперь посмотрим, как же дело обстоит с регуляторной компонентой этого цикла. На рисунке 52 представлен двудольный граф компьютерной модели, описывающей все регуляторные процессы в цикле трикарбоновых кислот. cравнение графов регуляторной и исполнительной компонент приводит с удивительному и парадоксальному выводу: на 139 метаболических процессов исполнительной компоненты приходится 1882 регуляторных процесса, то есть, в среднем на 1 метаболический процесс — 13 регуляторных процессов. Оценивая сложность двух сравниваемых компонент по количеству обеспечивающих их процессов, мы приходим к выводу, что в данном случае сложность регуляторной компоненты более чем на порядок превышает сложность компоненты исполнительной. Аналогичные соотношения между сложностями двух компонент характерны и для множества других метаболических сетей Escherichia сoli, в частности для множества метаболических путей биосинтеза аминокислот.
Проводя на качественном уровне аналогию между организацией биологических и социальных систем, можно сказать, что для молекулярно-генетических систем E. сoli характерен сверхвысокий уровень «бюрократизации», при котором осуществление отдельного метаболического процесса одновременно сопровождается огромным количеством регуляторных процессов.
В чем же состоит причина подобной организации молекулярно-генетических систем, наглядно проиллюстрированной в приведенном выше примере? Как известно, исполнительные компоненты процессов базового метаболизма (биосинтез аминокислот, нуклеотидов, энергетических компонент имногие другие) в своей основе похожи у представителей различных глобальных таксонов — эубактерий, архебактерий, эакариот. Сформировавшись очень давно — еще до эволюционно дивергенции трех глобальных таксонов — они не претерпели с тех пор существенных изменений. Вместе с тем, регуляторные компоненты, обеспечивающие процессы базового метаболизма, существенно отличаются не только на уровне глобальных таконов, но и на существенно более низких таксономических уровнях.
Это означает, что в ходе длительной (более 3-х миллиардов лет) эволюции жизни на Земле, мишенями эволюционного преобразования были, в первую очередь, регуляторные системы организмов. При освоении различных экологических ниш стабилизирующий отбор приводил в каждой эволюционирующей таксономической единице к возникновению специфических регуляторных систем с отрицательными обратными связями, обеспечивавших повышение приспособленности в постоянных условиях конкретной окружающей среды.
Эволюция в условиях постоянной окружающей среды, сопровождавшаяся возникновением все новых регуляторных контуров с отрицательными обратными связями, сменялась периодами движущего и дестабилизирующего отбора, приводившего к их частичному разрушению. Одновременно в условиях кардинально изменяющейся окружающей среды происходило возникновение регуляторных контуров с положительными обратными связями. Наслаиваясь друг на друга, эти процессы привели к формированию современных регуляторных систем бактериальных организмов, сложность которых существенно превышает сложность метаболических компонент этих организмов.
Что же касается исполнительной компоненты в метаболических система бактериальных клеток, то, по-видимому, она качественно не меняла своей сложности на протяжении длительной эволюции — от момента возникновения общей предковой формы бактериальных клеток до настоящего времени. Об этом свидетельствует тот факт, что количество генов у большинства изученных эу- и архебактерий примерно одинаково (рис. 53). Например, у таких бактерий как Escherichia coli, Bacillus subtilis, Synechocystis sp., Archaeoglobus fulgidus, Haemophilus infuenzae количество генов лежит в пределах от 4300 о 2500 при примерно постоянных размерах генома от 4.6 до 2.2 млн. пар оснований. Эти бактерии имеют все необходимые гены, обеспечивающие их способность к автономному самовоспроизведению.
На первый взгляд, исключение из этого правила составляет ряд изученных к настоящему времени организмов, количество генов у которых (рис. 53) существенно снижено по сравнению с приведенными величинами, например, Mycoplasma pneumoniae 677 генов), Mycoplasma genitalium (470 генов) и др. Заметим, однако, что по сравнению с приведенными выше бактериальными таксонами они не обладают минимально необходимыми наборами генов, необходимых для самовоспроизведения, в связи с чем используют для этого ряд генных систем организма хозяина, являясь облигатными паразитами.
Осуществляемый в настоящее время в США проект по конструированию так называемой искусственной минимальной бактериальной клетки, способной существовать и самовоспроизводится в оптимальных условиях, при постоянстве параметров внешней среды и наличии большинства необходимых метаболитов, исходит из того, что минимально необходимое количество генов в такой клетке будет составлять ~ 360, что очень близко к количеству генов (470) у Mycoplasma genitalium (рис. 53) Эти гены обеспечивают, преимущественно, работу фундаментальных генетических систем и процессов (репликация геномной ДНК, транскрипция, трансляция) и ряд других.
Для чего же нужны остальные гены, присутствующие в геномах автономно самовоспроизводящихся бактерий? Они нужны для осуществления базового метаболизма бактериальной клетки, для того, чтобы адекватно реагировать на изменяющиеся (в том числе — неблагоприятные) условия внешней среды, адаптироваться к ним, переключаясь с одного метаболита на другой, включаясь в характерные для различных бактериальных таксонов специфические трофические цепи и т.д.
Существенно также, что у простейших эукариотических организмов — одноклеточных дрожжей Saccharomyces cerevisiae (рис. 53) размер генома (12.1 млн. пар оснований) и количество генов (6034) весьма близки к величинам, характерным для типичной бактерии — Escherichia coli (4.6 млн. п.о. и 4288 генов, соответственно). Таким образом, у простейших одноклеточных организмов — дрожжей, несмотря на наличие ядра, диплоидности, более сложно организованной клеточной мембраны, цитоскелета и т.д. качественного увеличения сложности по сравнению с бактериями не произошло, если судить по количеству генов, содержащихся в их геномах.
Из рисунка 53 видно, что скачок в сложности организации молекулярно-генетических систем (оцениваемый по количеству генов) произошел не между бактериями и эукариотами, а по другой границе — между одноклеточными и многоклеточными организмами. Например, один из самых простейших многоклеточных организмов, содержащий около 1000 клеток, кольчатый червь Caenorhabditis elagans имеет около 19000 генов, что по порядку величины близко к количеству генов у человека (35 000).
Заметим также, что Drosophila melanogster, имеющая сложный онтогенез и организм, содержащий примерно 10 млн. клеток, содержит в своем геноме лишь в два раза больше генов, чем одноклеточные дрожжи (6034). С другой стороны, количество генов у растения Arabidopsis thaliana равно 25498, что несущественно уступает количеству генов у человека (35 000), имеющего значительно более сложный онтогенез, организацию, функции и реакции. Также, не обнаруживается существенных различий по количеству генов между Mus musculus (мышь), Fugu rubripes (рыба) и человеком (рис. 53). Проведенный анализ показывает, что у многоклеточных организмов не существует зависимости между количеством генов и фенотипической (онтогенетической, морфологической, физиологической и т.д.) сложностью организма.
Особенно наглядно это проявляется при сравнении генома человека с геномами близкородственных приматов. Хотя подобные сравнения не могут быть проведены на уровне полных геномов, имеющиеся данные показывают, что геномные различия между человеком и ближайшими приматами (например, шимпанзе) составляют ~ 1% при огромных поведенческих и интеллектуальных различиях. Это означает, что не существует также корреляции между количеством генов в геномах двух организмов и их качественно отличающимися поведенческим и интеллектуальными характеристиками.
Наблюдающиеся во всех этих сравнениях фенотипические различия связаны в первую очередь не с количеством генов, а с регуляторными механизмами, обеспечивающими воспроизведение, развитие, функционирование организмов и их реакцию на изменяющиеся условия окружающей среды.
На этом я хотел бы закончить свое выступление. Благодарю за внимание.
Председатель — акад. Н.Л. Добрецов
Спасибо. Очень впечатляюще. Можно задать пару вопросов.
Вопрос — Нейтрализация мутационных спектров под действием отрицательных обратных связей — насколько это общее свойство биологических систем?
Н.А.Колчанов —
Элементарная единица существования и эволюции вида — это популяция. Элементарная единица организма, обеспечивающая формирование любого фенотипического признака — это генная сеть. Обязательными элементами генных сетей являются регуляторные контуры с отрицательными обратными связями. В геномах особей любой популяции присутствуют мутации. Однако, большинство из мутаций на уровне фенотипов не проявляется. И поэтому особи, несущие мутации, могут быть фенотипически близки к норме. Механизм, обеспечивающий подобную маскировку мутаций — нейтрализация мутационных спектров под действием регуляторных контуров с отрицательными обратными, обеспечивающих гомеостатирование (то есть поддержание на уровне, близком к оптимальному) параметров организмов, значимых для их воспроизведения, развития, функционирования, и т.п. Следовательно, эффект нейтрализации мутационных спектров — это очень общий биологический эффект, имеющий значимые эволюционные последствия. Как я отмечал выше, впервые вопрос об эволюционной роли отрицательных обратных связей рассматривал выдающийся отечественный эволюционист — И.И. Шмальгаузен в своей теории стабилизирующего отбора.
Акад. Н.Л.Добрецов —
Таким образом, в популяциях постоянно существует скрытая генетическая изменчивость, которая в нормальных условиях не проявляется на фенотипическом уровне?
Колчанов — да, Вы правы.
Член-корр. В.И. Евсиков —
Меня интересует вопрос о генетической емкости особей. Он имеет отношение к большому количеству эволюционных и экологических проблем. Есть ли какие-либо молекулярно-генетические подходы к оценке этой генетической емкости?
Н.А.Колчанов —
Детальное рассмотрение этого вопроса лучше оставить на дискуссию, если мне предоставят возможность для ответа. Но коротко можно ответить так: помимо известного всем триплетного кода обеспечивающего кодирование информации об аминокислотных последовательностях белков и пептидов, существует множество других кодов, с помощью которых в геномах записывается различная информация, значимая для функционирования организмов. Одним из первых проблему множества генетических кодов рассмотрел Э.Н. Трифонов. В частности, существует так называемый конформационный код, обеспечивающий такие локальные свойства двойной спирали ДНК, которые значимы для взаимодействия с регуляторными белками. На существование такого кода я указывал в своем докладе. Именно наличие множества генетических кодов и приводит к тому, что мутация, которая нейтральна с точки зрения одного кода, может быть не нейтральна с точки зрения другого кода.
В.А. Бердников —
Я хотел спросить Вас о следующем. Вы акцентируете внимание на системных мутациях, каскадном усилении их эффекта, то есть на очень выраженных фенотипических изменениях. Однако, здравый смысл подсказывает, что подобные мутации должны обеспечивать низкую приспособленность организмов, которые просто должны погибать. Как же обстоит дело в природных условиях?
Н.А.Колчанов —
Ваше представление абсолютно правильно для постоянных условий среды, для стабилизирующего отбора, когда подобного рода мутации, вызывая выраженные отклонения от нормы, снижают приспособленность несущих их особей и элиминируются из популяций. Таким образом поддерживается эволюционная консервативность фенотипа. В случае же катастрофических изменений среды максимальную приспособленность (или по крайней мере шанс для выживания) имеют особи которые максимально отклоняются от предыдущей нормы. Именно в связи с этим большой интерес представляет изучение не только тех молекулярно-генетических и эволюционных механизмов, которые позволяют «консервировать» фенотип в постоянных средовых условиях (отрицательные обратные связи, нейтрализация мутационных спектров, стабилизирующий отбор), но и тех генетических механизмов, которые обеспечивают появление выраженных фенотипических отклонений от существующей нормы при относительно небольших молекулярно-генетических изменениях и способствуют их фиксации в популяциях в новых средовых условиях (кассетная иерархическая организация генных сетей, положительные обратные связи, гиперманифестация мутационных спектров, движущий и стабилизирующий отборы и т.п.).
Председатель —
Я хочу поблагодарить всех. Воспользуюсь преимуществом председателя и скажу сейчас то, что я хотел сказать во время дискуссии. В течение двух дней я записывал, кто и что имел в виду под словом «прогрессивная эволюция». Я записал 7 точек зрения. Я очень рад, что мы заканчиваем наше заседание выступлением Николая Александровича, потому что он сказал как раз то, что мне хотелось сказать. А именно, с моей точки зрения, которую сегодня четко очень изложил Николай Александрович Колчанов, на самом деле прогрессивная эволюция, это не просто усложнение. Это оптимизация регуляторных систем. Именно различие в количестве и качестве регуляторных систем, это и есть прогрессивный путь биологической эволюции.
Огромное спасибо всем.