Пробежав глазами приведенный ниже список животных, вы можете подумать, что речь идет об обитателях какогонибудь зоопарка. Здесь есть слон, броненосец, опоссум, дельфин, ленивец, еж, летучая мышь, пара землероек, несколько рыб, орангутан, шимпанзе и горилла. Но если это и зоопарк, то не похожий ни на один из тех, что мы знаем. Ни клеток, ни заборов, ни вольеров — ничего, что отделяло бы зверей друг от друга. Да и самих животных тоже нет. В таком виртуальном зоопарке есть только их ДНК — цепочки длиной от сотен миллионов до миллиардов нуклеотидов, «букв», с помощью которых написана «книга жизни» каждого вида. Самыми заинтересованными посетителями молекулярного «зоопарка» являются биологи-эволюционисты, именно здесь они находят наиболее полную информацию об эволюции жизни на Земле. Уже давно ученые пытаются найти ответ на вопрос, как могло появиться столь впечатляющее многообразие живых существ. Полвека назад стало известно, что все их признаки — от цвета волос до объема мозга — определяются особенностями ДНК. Однако до недавнего времени не удавалось понять, какие именно изменения в этой полимерной молекуле ответственны за уникальность внешнего облика животных.

Сегодня биологи умеют расшифровывать генетические тексты и выявлять в них участки, которые отвечают за отличия одних видов мух, рыб или вьюрков от других, а также за несходство человека и шимпанзе, что в корне меняет направление дальнейших исследований. В течение 40 лет внимание ученых было приковано к генам, сегментам ДНК, кодирующим белки, которые и определяют внешние признаки животных. Обнаружилось, однако, что различие по таким признакам обманчиво: совершенно разные животные обладают сходными наборами генов. При этом в ДНК были найдены особые «устройства» — генетические переключатели, контролирующие работу генов, т.е. определяющие, где и когда они будут активированы. Изменения в переключателях играют ключевую роль в эволюции анатомических особенностей живых существ, и осознание данного факта заставляет по-новому подойти к поискам ответа на вопрос о корнях биологического разнообразия.

Парадоксы кодирования

Долгое время биологи не сомневались в том, что в основе анатомических различий в мире животных лежат различия в их генах. Однако сравнение таких млекопитающих, как мышь, крыса, собака, человек и шимпанзе, показало, что «генные каталоги» у них на удивление схожи. За миллионы лет эволюции число генов в геноме каждого животного (примерно 20 тыс.) и относительное расположение многих из них почти не изменилось. Мы не хотим сказать, что у разных живых существ эти показатели идентичны. Но на первый взгляд ничто в геноме не указывает на его принадлежность мыши, собаке, человеку и т.д. Например, сравнительный анализ геномов мыши и человека показал, что их генный состав совпадает на 99%.

Так значит, у людей генов не больше, чем, скажем, у кошек и собак, домашнего скота и даже аквариумных рыбок? К удивлению и негодованию многих, так оно и есть. Более того, сходство остается и на уровне деталей строения самих генов. Различия в нуклеотидных последовательностях любых двух вариантов одного и того же гена у разных видов, а также аминокислотные последовательности кодируемых ими белков связаны лишь с дивергенцией видов и временем, которое прошло с момента их отделения от общего предка. Законсервированность кодирующих последовательностей особенно обескураживает, когда дело доходит до генов, определяющих анатомический паттерн видов. За развитие организма от оплодотворенной яйцеклетки до взрослого состояния отвечает лишь небольшая часть всех его генов — менее 10%. Остальные работают на удовлетворение повседневных нужд клеток различных органов и тканей. Анатомические различия между животными — форму частей тела, их число и размеры, цвет кожного покрова и многое другое — должны каким-то образом определять эти 10% генов. Область исследований, изучающая их функционирования, получила название evo-devo (от англ. evolutiondevelopment). И для тех, кто в ней работает, тот факт, что белки, участвующие в формировании тела животных, сходны даже в большей степени, чем белки, выполняющие другие функции, особенно загадочен. Ведь из этого следует, что у таких разных животных, как слон

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Поскольку вся информация о строении тела животных содержится в их генах, биологи полагали, что геномы у разных видов существенно различаются. На самом деле все обстоит иначе: совершенно не похожие друг на друга виды имеют множество сходных и даже идентичных генов. Морфологические различия между видами возникают в ходе эволюции в результате изменений не в самих генах, а в «переключателях», сегментах ДНК, регулирующих их активность.

Если мы хотим понять, чем определяются различия между животными, необходимо сосредоточиться не на генах, а на переключателях.

и мышь, в морфогенезе участвуют функционально неразличимые белки. То же самое можно сказать о нас самих и нашем ближайшем родственнике шимпанзе: большинство белков человека отличаются от белков обезьяны лишь по одной-двум позициям из нескольких сотен, а 29% белков и вовсе идентичны. Как же объяснить несоответствие между эволюцией белков и анатомических особенностей? Очевидно, ответ нужно искать где-то в геномной ДНК. Но где именно? Дело в том, что найти такие особые места в ДНК труднее, чем идентифицировать гены.

Генетические переключатели

У человека на долю кодирующей части генома приходится всего 1,5%. Гены в их традиционном понимании — это крошечные островки в море генетической информации. Функции большинства некодирующих областей ДНК нам неизвестны, однако мы знаем, что некоторые их них выполняют важную задачу — они участвуют в регуляции экспрессии генов. Регуляторные последовательности и являются ключом к разгадке одной из тайн эволюции.

Экспрессия гена подразумевает его транскрипцию в матричную РНК (мРНК) и последующую трансляцию мРНК в белок. Данный процесс чаще всего регулируется на транскрипционном уровне — клетка не собирается бесцельно расходовать энергию на синтез не нужных ей мРНК и белков. Многие гены, таким образом, экспрессируются только в определенных органах, тканях или клетках. Где именно и когда — определяют специфические некодирующие участки ДНК. Они служат компонентами генетических переключателей, которые переводят гены в рабочее состояние и обратно в нужном месте в нужное время. Другие компоненты переключателя — это факторы транскрипции, особые белки, которые связываются со специфическими участками ДНК, так называемыми энхансерами. Присоединение факторов транскрипции к энхансеру переводит соответствующий переключатель в рабочее положение, и тот запускает транскрипцию гена. У каждого гена существует по крайней мере один энхансер. Обычно они состоят из нескольких сотен нуклеотидов и могут располагаться по любую сторону от самого гена и даже в некодирующей области внутри него. Известны случаи, когда энхансер отделен от собственного гена тысячами нуклеотидов.

Самое важное в рамках нашего обсуждения заключается в том, что некоторые гены имеют по несколько независимых энхансеров. И относится это в первую очередь к тем генам, которые кодируют белки, участвующие в формировании морфологических признаков животного. Каждый энхансер самостоятельно регулирует экспрессию гена в разных частях тела и в разное время жизненного цикла организма, так что полная картина экспрессии данного гена представляет собой мозаичное панно, фрагменты которого «привязаны» к своим сайтам экспрессии. Наличие энхансеров приводит к тому, что один и тот же ген может использоваться множество раз в разных контекстах, что существенно расширяет круг его функций.

Модульную логику такой системы регуляции иллюстрирует функционирование одного из генов, детерминирующих цвет частей тела плодовой мушки. Ген, не совсем удачно названный Yellow («желтый»), кодирует белок, который определяет черную пигментацию полосок на брюшке и пятен на крыльях (у мутантных мушек, не синтезирующих данный белок, данные части имеют желтую окраску). Ген Yellow имеет независимые энхансеры, активирующие его на разных этапах развития частей тела насекомых.

Поскольку ген Yellow участвует в формировании такого большого числа тканей, мутации в нем могут

КАК РАБОТАЕТ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

Основным компонентом переключателей, контролирующих экспрессию генов, является сегмент ДНК под названием «энхансер». Обычно он располагается в непосредственной близости к соответствующему гену

иметь катастрофические последствия. В отличие от этого, изменения, затрагивающие лишь один из энхансеров, повлияют только на экспрессию гена, регулируемую данным энхансером, во всем остальном функции гена и кодирующего его белка не изменятся.

Все это чрезвычайно важно с эволюционной точки зрения. Теоретически мутации в энхансере должны приводить к избирательной модификации отдельных морфологических признаков без изменения самих генов или кодируемых ими белков. И в последние несколько лет появились прямые указания на то, что именно таким способом во многих случаях осуществляется эволюция различных частей тела живых существ.

Эволюция переключателей

Одним из важнейших этапов в работе биолога является поиск простейшего внешнего признака, который лучше других подходит для изучения того или иного явления. Что касается эволюции анатомического паттерна, то здесь таким признаком служит окраска тела и его частей. Она играет важнейшую роль во взаимоотношениях животных между собой и с окружающим миром. Особенности окраски тела плодовых мушек выделяют их среди близкородственных видов, а анализ происхождения характерных полосок и пятен позволяет судить о том, каким образом эволюция генетических переключателей определяет эволюцию анатомических признаков. У одних видов плодовых мушек на кончиках крыльев самцов видны отчетливые темные пятна, у других они отсутствуют. У некоторых из этих же видов самцы имеют темную широкую полосу на конце брюшка (этот знаменитый объект многих исследований называют Drosophila melanogaster; слово melanogaster переводится как «черное брюшко»), в то время как у самцов других видов ее не существует. Мы обнаружили, что белковый продукт гена Yellow образуется в больших количествах только в клетках, создающих пятна на крыльях (в остальных его очень мало). У особей, на

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ

Для того чтобы выяснить, где и когда переключатель запускает экспрессию данного гена, исследователи конструируют сегмент ДНК, содержащий энхансер и генрепортер, активация которого приводит к появлению какого-нибудь легко различимого признака. Сконструированный сегмент инъецируют в эмбрион животного на самой ранней стадии его развития. Он встраивается в клеточный геном и при последующем развитии эмбриона оказывается в каждой его клетке. Активация гена-репортера проявляется в образовании определенных морфологических структур, что является свидетельством роли энхансеров в формировании анатомического паттерна

чьих крыльях нет пятен, данный белок синтезируется во всех клетках, но на очень низком уровне, так что крылья имеют слабый сероватый цвет.

Для того чтобы понять, почему ген Yellow активно экспрессируется в клетках крыльев у одних из видов дрозофил и почти не выражен у других, мы проанализировали нуклеотидные последовательности в окрестностях данного гена в поисках энхансеров, контролирующих его работу в разных частях тела. У видов, чьи крылья не имеют пятен, был обнаружен энхансер, который отвечает за экспрессию Yellow, опосредующую равномерную сероватую окраску. Исследовав соответствующие участки ДНК у «пятнистых» особей, мы выясним, что этот энхансер отвечает как за равномерность окраски, так и за пятнистость. Какие же эволюционные изменения, в результате которых в энхансере гена Yellow, отвечающем за его экспрессию в клетках крыльев, возникли новые сайты связывания факторов транскрипции, претерпели пятнистые виды? Изменения в картине экспрессии (появление пятен) не затронули функций белового продукта гена Yellow ни в каких других клетках тела.

ПОЛОСЫ И ПЯТНА

Если экспрессия гена в разных частях тела контролируется разными энхансерами, то изменение в одном из них скажется на активности гена не повсеместно, а строго избирательно. Например, ген Yellow у плодовой мушки отвечает помимо всего прочего за появление темных пятен на крыльях и полосок на брюшке, но различия между особями по этим признакам возникают в результате изменений не в самом гене, а в соответствующем энхансере. При этом картина экспрессии гена Yellow в остальных частях тела остается прежней

Аналогичные превращения произошли в ходе эволюции с широкой черной полосой на кончике брюшка, однако она не появилась, а исчезла. Мы привыкли думать, что наличие какого-то признака у одного вида и отсутствие его у другого означает приобретение первым определенных преимуществ, что не всегда соответствует действительности. Часто эволюция сопровождается именно утратой какого-то признака. Исчезновение анатомических особенностей служит самой лучшей иллюстрацией эволюционной роли энхансеров.

Один из энхансеров гена Yellow контролирует экспрессию последнего в клетках брюшка. У самцов с черной широкой полосой этот энхансер обеспечивает высокий уровень экспрессии генов в клетках, составляющих данную часть тела. Некоторые виды дрозофил, например D. kikkawai, утратили пигментацию брюшка — соответствующий

Ген Pitx1, детерминирующий образование брюшного плавника, участвует в формировании многих других важных частей тела, каждая из которых находится под контролем своего энхансера. У рыб, обитающих на мелководье, в результате мутации выведен из строя только тот энхансер, который отвечает за экспрессию Pitx1 в области, где должен находиться спинной плавник энхансер гена Yellow претерпел несколько мутаций, в результате чего исчез один из сайтов связывания факторов транскрипции. (Подчеркнем еще раз, что экспрессия гена Yellow в остальных частях тела осталась на прежнем уровне. Мутация в самом гене имела бы непредсказуемые последствия — кодируемый им белок перестал бы синтезироваться и там, где он жизненно необходим.)

Утрата признаков не всегда дает эволюционные преимущества, однако нередко имеет важное адаптивное значение, позволяя животному приспособиться к изменившимся внешним условиям и выработать новый «стиль жизни». Например, позвоночные за время своей эволюции не раз «отказывались» от задних конечностей — вспомните змей, некоторых ящериц, китообразных, ламантинов. Это было связано со сменой образа жизни, при котором конечности мешали передвижению. Эволюционными предшественниками задних конечностей четвероногих позвоночных являются брюшные плавники рыб. Существенные различия в их строении наблюдаются и у представителей близкородственных популяций рыб. Во многих озерах Северной Америки трехиглая колюшка представлена двумя формами. У глубоководных форм колючий брюшной плавник развит хорошо, а у особей, обитающих на мелководье, он сильно редуцирован. Первым данный плавник помогает спасаться от хищников — более крупных рыб, а для вторых является помехой — личинки стрекозы, поедающие рыбную молодь, ухватываются за него.

Различия в морфологии брюшного плавника у рыб возникали неоднократно за тот небольшой срок (10 тыс. лет), который отделяет нас от последнего ледникового периода. Океанические трехиглые колюшки с брюшным плавником, снабженным длинными шипами, заселили многие озера, и какое-то время обитавшие в них популяции эволюционировали независимо друг от друга. Поскольку эти рыбы близкородственны и легко скрещиваются в лабораторных условиях, генетики могут картировать гены, опосре-

Мутации в регуляторных последовательностях — не единственный инструмент эволюции. Он выходит на первый план, когда соответствующий ген многофункционален, и мутация изменяет только одну из функций

дующие уменьшение брюшного плавника. Дэвид Кингсли (David M. Kingsley) из Стэнфордского университета совместно с Долфом Шлютером (Dolph Schluter) из Университета Британской Колумбии показали, что за размеры брюшного плавника отвечает ген Pitx 1, участвующий в формировании его каркаса. Как и другие гены, детерминирующие образование частей тела, Pitx 1 выполняет множество функций в процессе развития колюшки, но его экспрессия у мелководных форм подавляется только там, где должен появиться брюшной плавник. И вновь мы имеем дело с морфологическими изменениями, которыми управляет энхансер.

Yellow, Pitx 1 и другие гены, определяющие анатомический паттерн, называют плейотропными; это означает, что ген участвует в формировании не одного, а сразу нескольких признаков. Мутации в самом гене сказываются на всех них, что обычно отрицательно воздействует на организм. Основной вывод, который можно сделать, наблюдая за эволюционными изменениями характера окраски крыльев и брюшка у дрозофилы, а также анатомии колюшки, состоит в том, что мутации в регуляторных последовательностях не приводят к плейотропному эффекту и обеспечивают эволюционные изменения лишь отдельных частей тела. Подобные мутации — не единственный и даже не главный инструмент эволюции. Они выходят на первый план, когда ген оказывает плейотропное действие, и одна из сторон его деятельности эволюционно значима.

Одинаковые гены и бесконечное разнообразие живых существ

Эволюционным изменениям подвержены не только те энхансеры, которые регулируют работу генов, отвечающих за морфогенез, и не только энхансеры генов плодовых мушек и маленьких рыбок. Известны случаи изменений регуляторных последовательностей генов, причастных к формированию некоторых признаков у человека.

Один из наиболее ярких примеров — адаптация к существованию в эндемичных в отношении малярии условиях через селективную утрату экспрессии гена. Поясним, о чем идет речь. Помимо обычной системы групп крови А, В, О существуют другие, менее известные. Одна из них основана на параметрах эритроцитарных антигенов и называется системой Даффи. Белок Даффи представляет собой часть рецептора, с которым связывается возбудитель малярии Plasmodium vivar, инфицирующий эритроциты. Однако у жителей Западной Африки данный белок отсутствует, что спасает их от малярии. Ген Duffy экспрессируется и в других тканях и органах человека, в частности в селезенке, почках и головном мозге. И во всех случаях он активно функционирует и у жителей Западной Африки. А за его инактивацию в рецепторах эритроцитов отвечает энхансер, утративший сайт связывания с соответствующим фактором транскрипции.

Грегори Рей (Gregory A. Wray) и его коллеги из Университета Дьюка обнаружили и другие свидетельства эволюции человека путем мутационных изменений энхансеров различных генов. Один из интересных примеров — дивергенция регуляторных последовательностей у человекообразной обезьяны и человека, которые контролируют работу гена Prodynorphin. Данный ген кодирует опиаты, которые образуются в головном мозге и влияют на восприятие, поведение и память. В ответ на соответствующий стимул ген активируется, но его экспрессия у человека гораздо более выражена, чем у обезьяны. Имеются четкие указания на то, что у людей регуляторная последовательность изменялась в ходе эволюции под действием естественного отбора, т.е. с появлением новых ее модификаций организм-хозяин получал некие преимущества.

Приведенные примеры показывают, что мутации в регуляторных участках ДНК несомненно играли роль в эволюции человека, и их изменчивость может служить основой различий между людьми (касается ли это их здоровья, физических данных или чего-то другого). Поскольку биологи не имеют возможности манипулировать с ДНК человека при его жизни так, как они это делают в случае животных, выявлять изменения в регуляторных элементах, отвечающих за нашу непохожесть на другие виды, не так-то просто. Впрочем, есть надежда на новые методы анализа генома. неизведанным миром.

Область биологии, занимающаяся исследованием эволюции регуляторных последовательностей ДНК, очень молода. Огромное множество генетических переключателей в виртуальном геномном «зоопарке» еще предстоит отыскать и исследовать. Но уже выработаны новые принципы, имеющие прогностическую ценность для будущих исследований. Так, можно сказать, что эволюционные изменения анатомических признаков, особенно тех, за которые отвечают плейотропные гены, скорее всего обусловливаются мутациями в энхансерах, а не в самих генах.

Получает объяснение тот факт, что существенно различающиеся виды животных часто имеют большое число идентичных генов, отвечающих за анатомический паттерн. Если мы хотим понять до конца, чем определяется отличие человека от человекообразных обезьян, или почему слон так не похож на мышь, то необходимо сосредоточиться на сравнительном анализе всего генома, который пока остается для нас неизведанным миром.

ПОИСКИ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Энхансеры генов человека трудно обнаружить в первую очередь потому, что на долю кодирующих последовательностей в нашем геноме приходится всего 1,5%. Хорошим подспорьем здесь служит тот факт, что данные последовательности находятся «под защитой» естественного отбора и сохраняются в ходе эволюции.

В этой статье мы говорили в основном о таких энхансерах, изменения которых порождают различия между организмами. Однако легко представить, что существуют энхансеры противоположного свойства. В широком смысле мутационный процесс способствует углублению генетических различий между видами после их дивергенции, но естественный отбор стремится сохранить энхансеры, которые обеспечивают функционирование пусть даже изменяющихся генов, и иногда степень такой поддержки кажется невероятной.

Тот, кто видел когда-нибудь налима и акулу, знает, что между ними много общего. Но кто бы мог подумать, что сходство распространяется и на их геномы? Вот еще один, совсем уж удивительный пример. Исследователи из Института молекулярной и клеточной биологии в Сингапуре, а также из Института Крейга Вентера в Роквилле, штат Мэриленд, обнаружили, что и у акулы, и у человека, дивергировавших более 500 млн лет назад, почти 5 тыс. элементов в некодирующих областях, примыкающих к генам, являются энхансерами. Большинство из этих высококонсервативных элементов контролируют работу генов, которые отвечают за формирование анатомического паттерна, причем тех его особенностей, которые характерны для всех позвоночных.

Сравнительный генетический анализ разных видов — тот самый инструмент, с помощью которого можно довольно быстро пополнить каталог энхансеров и идентифицировать те из них, которые определяют морфогенез.

Перевод: Н.Н. Шафрановская

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Evolution at Two Levels: On enes and Form. Sean B. Carroll in PLoS Biology, Vol. 3, Issue 7, pages 1159–1166; July 2005.

Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal Kingdom. Sean B. Carroll. W. W. Norton, 2005. The Making of the Fittest: DNA and the Ultimate Forensic Record of Evolution. Sean B. Carroll. W. W. Norton, 2006.

The Evolutionary Significance of cis-Regulatory Mutations. Gregory A. Wray in Nature Reviews Genetics, Vol. 8, pages 206–216; March 2007.

Emerging Principles of Regulatory Evolution. Benjamin Prud’homme, Nicolas

РЕГУЛЯТОРЫ ЭВОЛЮЦИИНиколас Гомпел, Шон Кэрролл и Бенджамин Прадомм В Мире Науки, 2008, № 7, С.60-67

РЕГУЛЯТОРЫ ЭВОЛЮЦИИ
Николас Гомпел, Шон Кэрролл и Бенджамин Прадомм
В Мире Науки, 2008, № 7, С.60-67