Стабилизация и дестабилизация онтогенеза

Отдельные компоненты «эпигенетической» эволюционной модели сегодня активно изучаются и о них мы теперь знаем много новых важных подробностей. Прежде всего это относится к механизмам стабилизации и дестабилизации онтогенеза.

Становится ясно, что «по умолчанию», если можно так выразиться, онтогенез должен быть весьма хаотической системой. Стохастика начинается уже на уровне экспрессии генов. Невозможно отрегулировать активность гена с абсолютной точностью. Поэтому любые две вроде бы одинаковые клетки, с идентичными геномами, обязательно будут различаться по количеству молекул того или иного белка, и из-за этого неизбежно будут различия в поведении этих клеток. Стохастическое поведение клеток в раннем эмбриогенезе по идее должно было бы приводить к крайне нестабильному и изменчивому фенотипу. По большому счету удивительно не то, что какие-то мутации имеют неполную пенетрантность, а то, что эффекты мутаций вообще хоть сколько-то воспроизводимы от клетки к клетке, от организма к организму. Для того, чтобы стабилизировать онтогенез несмотря на эту внутренне присущую ему стохастику, в ходе эволюции вырабатываются специальные адаптации, специальные системы повышения помехоустойчивости.

Это в первую очередь различные генно-регуляторные контуры, основанные на принципе отрицательной обратной связи. Наличие отрицательных обратных связей как раз и делает программу онтогенеза «умной», и это приводит к тому, что случайное вмешательство в работу такой программы, случайное нарушение ее работы с ненулевой вероятностью приводит к появлению чего-то интересного, неких фенотипических новшеств, которые могут оказаться перспективными, а не просто уродствами.

Важную роль в придании онтогенезу помехоустойчивости играют белки – шапероны, такие как Hsp90. Этот белок придает правильную трехмерную конфигурацию другим белкам, в том числе и таким, которые в результате мутаций утратили способность принимать нужную конфигурацию самостоятельно. Поэтому деятельность Hsp90 позволяет накапливаться «скрытой» генетической изменчивости, которая не проявляется, пока Hsp90 нормально функционирует. Как выяснилось недавно, существует еще одна причина массового появления уродств при нарушении работы Hsp90: этот белок участвует в инактивации мобильных генетических элементов, которые, оставшись без контроля, начинают активно размножаться и перемещаться по геному, что приводит к всплеску мутагенеза. Таким образом, Hsp90 придает устойчивость не только фенотипу, но и генотипу. (Specchia V., Piacentini L., Tritto P., Fanti L., D’Alessandro R., Palumbo G., Pimpinelli S., Bozzetti M.P.. Hsp90 prevents phenotypic variation by suppressing the mutagenic activity of transposons // Nature. 2010).

В нескольких экспериментальных исследованиях было показано, что важную роль в стабилизации онтогенеза может играть так называемая «избыточность» генно-регуляторных сетей, управляющих развитием. Приведу два свежих примера.

1. У круглого червя Caenorhabditis elegans развитие кишечника управляется регуляторным каскадом, который кажется «избыточным» (см. на слайде).

Известны мутации гена skn-1, обладающие неполной пенетрантностью. Как мы помним, сказать, что «мутация обладает неполной пенетрантностью», это примерно то же самое, что сказать «мутация дестабилизирует онтогенез». Эти мутации приводят (или не приводят, так как пенетрантность неполная) к тому, что потомки бластомера E, которые должны стать клетками кишечника, остаются недифференцированными, и кишечник у эмбриона не формируется.

Оказалось, что у эмбрионов с мутантным геном skn-1 в клетках — потомках бластомера E ген med-1/2 не включается вовсе, а ген end-3 работает очень слабо. Что касается гена end-1, то его активность становится непредсказуемой. В норме этот ген на определенной стадии развития эмбриона начинает работать в клетках, которые должны стать кишечником, причем уровень его активности во всех этих клетках примерно одинаков. У мутантных эмбрионов end-1 начинает работать в разных клетках с разной силой, а в некоторых не включается вовсе, так что общая картина получается весьма хаотичной.

Этот хаос на следующем этапе регуляторного каскада приводит к одному из двух альтернативных результатов: либо ген elt-2 включается, и тогда клетки превращаются в кишечник, либо elt-2 остается выключенным, и тогда кишечник не формируется. Как выяснилось, выбор одного из двух исходов зависит от того, достигнет ли активность end-1 определенного порогового уровня. Однако и тут сохраняется доля неопределенности. Если активность end-1 ниже пороговой, elt-2 точно не включится и кишечника не будет. Если же активность end-1 выше пороговой, то это еще не гарантирует включения elt-2: он либо включится, либо нет. Раз включившись, elt-2 уже будет работать нормально, сколько ему положено, потому что этот ген активирует сам себя.

Хаос, возникающий в работе гена end-1, объясняется отсутствием должной регуляции со стороны гена end-3. Если вывести из строя ген end-3, то результаты получаются примерно такие же, как и при мутациях skn-1, то есть ген end-1 начинает работать хаотично, а ген elt-2 либо включается, либо нет. Если же вывести из строя end-1, то при нормально работающих skn-1 и end-3 никакой неполной пенетрантности не возникает и кишечник формируется у всех эмбрионов.

Таким образом, в норме elt-2 включается благодаря согласованному действию двух регуляторов: end-3 и end-1, причем эти регуляторы отчасти взаимозаменимы. Если выйдет из строя end-1, то нормально работающий end-3 справится с задачей самостоятельно и включит elt-2 в положенное время. Если же забарахлит end-3, то работа end-1 дестабилизируется, но всё же он сумеет включить elt-2 хотя бы у некоторых эмбрионов.

Эти результаты позволяют предположить, что кажущаяся «избыточность», характерная для большинства генно-регуляторных каскадов, управляющих развитием эмбриона, обеспечивает стабильность (помехоустойчивость) развития. Благодаря этой избыточности выход из строя отдельных регуляторов (в результате мутаций или неблагоприятных условий среды) может быть скомпенсирован оставшимися элементами регуляторного каскада по крайней мере у некоторых зародышей. «Случайный шум», который может при этом возникнуть в работе каскада, позволяет одним зародышам развиваться нормально, в то время как другие зародыши с точно таким же геномом могут приобрести какие-то новые фенотипические признаки. Скорее всего, это будут несовместимые с жизнью уродства, но вероятность появления полезных отклонений тоже ненулевая. В таком случае естественный отбор в дальнейшем будет закреплять у потомков этих «перспективных уродов» такие мутации, которые сделают новый путь развития более стабильным. В итоге этот новый путь окажется «вписан» в геном и станет вполне наследственным.

В целом подобные результаты, по-видимому, подтверждают принципиальную возможность формирования эволюционных новшеств по схеме «дестабилизация развития — новые фенотипы при старом геноме — генетическая фиксация возникших изменений».

2. Еще одно недавнее открытие такого рода – так называемые «теневые энхансеры» (Hong L.-W., Hendrix D.A., Levine M.S. Shadow Enhancers as a Source of Evolutionary Novelty // Science. 5 September 2008. V. 321. P. 1314). На дрозофилах и мышах было показано, что многие гены – регуляторы онтогенеза помимо обычных энхансеров снабжены еще дополнительными, «теневыми», которые обычно располагаются значительно дальше от кодирующей части гена. Теневые энхансеры обеспечивают практически такую же экспрессию генов-регуляторов, что и обычные энхансеры, то есть налицо дублирование функций, избыточность. Однако на примере гена svb, управляющего развитием щетинок у личинок дрозофилы, удалось показать, что теневые энхансеры являются «лишними» только в оптимальных условиях. При температурном стрессе и при мутациях «вышестоящих» регуляторных генов теневые энхансеры обеспечивают стабильность работы подконтрольного гена, тем самым придавая индивидуальному развитию помехоустойчивость (Frankel N., Davis G.K., Vargas D., Wang S., Payre F., Stern D.L. Phenotypic robustness conferred by apparently redundant transcriptional enhancers // Nature. 2010. V. 466. P. 490–493).

Побочным эффектом такой стабилизации онтогенеза может стать рост эволюционной пластичности. В неблагоприятных условиях отбор способствует формированию дополнительных энхансеров. Однако в постоянных благоприятных условиях эти энхансеры оказываются «лишними» и могут относительно свободно накапливать мутации. Если условия снова станут неблагоприятными, произошедшие в энхансерах изменения могут привести к дестабилизации онтогенеза и появлению каких-нибудь новых признаков.

Важно, что сам факт наличия адаптаций для стабилизации онтогенеза приводит к ускоренному накоплению мутаций, потенциально способных дестабилизировать онтогенез или направить его по «ненормальному» пути. Из-за наличия стабилизирующих адаптаций эти мутации в норме не проявляются, и поэтому очищающий отбор на них не действует. Но в особых условиях, когда механизмы стабилизации онтогенеза по той или иной причине (будь то мутация или внешнее воздействие) дают сбой, мы можем наблюдать резкую дестабилизацию развития и всплеск изменчивости.