Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Именно с этой целью испанские биологи провели серию экспериментов на C. elegans (Casanueva et al., 2012). Первый эксперимент был поставлен, чтобы проверить, приводит ли активация генерализованного (общего, неспецифического) ответа на стресс к сглаживанию фенотипических эффектов вредных мутаций, т. е. к снижению их пенетрантности. Для этого были использованы генетически модифицированные черви (линия +HSF-1) с повышенной продукцией «фактора теплового шока 1» (heat shock factor 1, HSF-1). Этот белок является регулятором высокого уровня: он активирует целый ряд генов, участвующих в ответе на средовой стресс, в том числе гены шаперонов. Модифицированные черви постоянно находятся в состоянии «повышенной боевой готовности» и отличаются от обычных червей высокой устойчивостью к неблагоприятным воздействиям.
Исследователи скрестили червей +HSF-1 с носителями 11 разных вредных мутаций и сравнили пенетрантность этих мутаций у особей с обычным и искусственно повышенным уровнем HSF-1. Оказалось, что гиперактивность системы ответа на средовой стресс достоверно снижает пенетрантность восьми из 11 мутаций. Процент особей, у которых эти мутации проявились в фенотипе, оказался понижен у червей +HSF-1 по сравнению с контролем на 18–88 %.
Более того, оказалось, что эффекты мутаций, пенетрантность которых снизилась у червей +HSF-1, зависят также и от температуры. Если подвергнуть молодую личинку обычного (немодифицированного) червя тепловому шоку (нагреванию до 35 °C на два часа), пенетрантность мутаций снижается примерно так же, как у червей +HSF-1. Если же пенетратность мутации не зависит от уровня HSF-1, то и тепловой шок на нее не влияет. Скорее всего, те три мутации, которые оказались нечувствительны к уровню HSF-1, просто «не лечатся» шаперонами (например, они могут быть связаны не с нарушением структуры какого-нибудь белка, а с полным его отсутствием).
Таким образом, эксперимент показал, что реакция на стресс, вызванная путем генетических модификаций или средового воздействия (теплового шока), действительно снижает пенетрантность вредных мутаций. Проявится или нет мутация в фенотипе, зависит, во-первых, от генетики (например, от генетически обусловленного базового уровня HSF-1), во-вторых, от жизненной истории особи, в том числе от стрессов, перенесенных в детстве. Главное тут — соблюсти меру: слишком сильный стресс может повредить систему «забуферивания» мутаций при помощи шаперонов и тем самым усугубить фенотипические эффекты этих мутаций (Queitsch et al., 2002), однако умеренный стресс, перенесенный в определенном возрасте, напротив, может их сгладить.
Как мы уже говорили, неполная пенетрантность наблюдается и в изогенных популяциях, даже если условия, в которых развиваются особи, одинаковы. В ходе дальнейших экспериментов авторы, работая с изогенными линиями C. elegans, попытались выяснить, чем вызывается эта странная вариабельность у животных с одинаковыми генами и «жизненным опытом». Черви C. elegans способны к самооплодотворению (см. главу 3), поэтому вывести изогенную линию нетрудно. Более того, такие линии нередко возникают и в природе.
Ранее уже было показано, что в изогенных линиях C. elegans наблюдается случайная (не связанная ни с генетическими, ни со средовыми факторами) вариабельность по уровню экспрессии некоторых генов — участников реакции на стресс, причем от этого уровня зависит, во-первых, устойчивость червей к перегреву, во-вторых — продолжительность их жизни: особи с высоким уровнем шаперонов живут дольше. Речь идет, напомним, о генетически идентичных особях (Rea et al., 2005). Поэтому авторы вполне логично предположили, что случайные различия в уровне экспрессии шаперонов и других компонентов реакции на стресс могут влиять также и на фенотипический эффект вредных мутаций.
Для проверки этого предположения генетически идентичных червей с той или иной вредной мутацией подвергали кратковременному перегреву на стадии личинки. Затем их делили на две группы в зависимости от силы реакции на стресс, которую определяли по уровню экспрессии участника этой реакции — гена hsp-16.2. Оказалось, что у червей с сильной реакцией на стресс вредные мутации проявляются в фенотипе реже, чем у особей, слабо реагирующих на перегрев. Сама же сила реакции на стресс в свою очередь зависит от случайных различий в уровне экспрессии генов теплового шока. Такие различия есть у генетически идентичных личинок еще до того, как их подвергнут перегреву. У кого эти гены изначально работают активнее, тот и выдает более сильную реакцию на перегрев.
Таким образом, пенетрантность мутаций зависит не только от уровня реакции на стресс, обусловленного генетикой (как у червей +HSF-1) или средой, но и от случайных колебаний этого уровня, не зависящих ни от генов, ни от среды. У генетически идентичных червей имеется случайная изменчивость по силе реакции на стресс, причем те особи, которые реагируют на стресс активнее, получают сразу три важных преимущества. Во-первых, они легче переносят перегрев, во-вторых — дольше живут, в-третьих — они лучше защищены от вредных мутаций.
Возникает естественный вопрос: если сильная реакция на стресс так полезна, почему этот признак остается нестабильным, почему он варьирует даже у генетически идентичных особей? Казалось бы, отбор давно должен был закрепить в генофонде C. elegans какие-нибудь мутации, обеспечивающие стабильно высокий уровень активности «стрессовых» генов.
Исследователи предположили, что раз этого не произошло, значит, тут есть какой-то подвох. Возможно, высокая активность этих генов не дается даром и, кроме пользы, приносит также и вред. Дальнейшие эксперименты подтвердили это предположение. Оказалось, что черви с более интенсивной реакцией на тепловой шок отличаются пониженной плодовитостью. За долгую жизнь и устойчивость к перегреву и вредным мутациям червям приходится платить низкой эффективностью размножения.
Черви C. elegans в природе живут в гниющих растительных остатках и питаются бактериями. Условия в местах их обитания переменчивы и непредсказуемы. Пока условия остаются благоприятными, особи с пониженным уровнем экспрессии «стрессовых» генов оказываются в выигрыше благодаря высокой скорости размножения. При ухудшении условий преимущество оказывается на стороне более жизнестойких индивидов с высоким уровнем шаперонов. Наилучшая стратегия в такой обстановке, по-видимому, состоит в том, чтобы не класть все яйца в одну корзину. Черви минимизируют риск вымирания, позволяя данному признаку широко варьировать даже у генетически идентичных особей (а природные микропопуляции C. elegans часто имеют низкое генетическое разнообразие из-за малого числа основателей и самооплодотворения). Как бы ни сложились обстоятельства, какая-то часть генетически однообразной, но фенотипически вариабельной популяции с большой вероятностью выживет и будет успешно размножаться.
Это исследование интересно тем, что обращает внимание на разновидность изменчивости, которую биологи обычно игнорируют в своих теоретических построениях: на случайную изменчивость, определяемую не генами и не средой, а неизбежными стохастическими флуктуациями на молекулярном уровне, в том числе на уровне экспрессии генов. По-видимому, роль такой изменчивости в жизни и эволюции организмов важнее, чем принято считать.
Молекулярные механизмы реакции на тепловой шок сходны у большинства животных. Вариабельность по силе реакции на стресс характерна для многих организмов. Поэтому можно предположить, что некоторые виды стрессовых воздействий способны сглаживать эффекты вредных мутаций не только у C. elegans, но и других животных. Не исключено, что некоторые из полученных выводов могут быть приложимы и к наследственным болезням человека. Но это пока только предположение.
—————
Сложность организма и сложность программы развития
Соотношение между кажущейся сложностью организма и реальной сложностью генно-регуляторных сетей, составляющих его «программу развития», далеко не однозначно. Видимая сложность порой порождается весьма простой программой.
Например, чтобы перейти от внешне простой типичной офиуры (на рисунке слева) к причудливому горгоноцефалюсу с фрактально ветвящимися руками (справа), достаточно, чтобы каждая рука в какой-то момент своего развития раздвоилась, так же как и каждая ветвь руки. Для этого нужно добавить в программу развития следующую инструкцию для растущих концов рук: «При выполнении таких-то условий разветвись надвое». В результате одной-единственной команды автоматически получается сложная, завораживающая фрактальная структура.
Для чего же на самом деле необходимо усложнение генетической программы развития? Герберт Спенсер (1820–1903), философ и социолог, с легкой руки которого дарвиновское «наследование с изменением» (descent with modification) стали называть эволюцией, дал прекрасное определение тому, что мы сейчас назвали бы «прогрессивным развитием» или «развитием по пути усложнения». Спенсеровское определение таково: прогрессивное развитие — это переход от неопределенной несвязной однородности к определенной связной разнородности.
