Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Авторы использовали коллекции дрожжей-мутантов, где каждый штамм содержит одну делецию (один удаленный ген) в гомозиготном или в гетерозиготном состоянии (т. е. удалены либо обе копии данного гена, либо только одна). Дрожжи, как мы помним из главы з, могут размножаться и половым путем, и бесполым (почкованием), причем способ размножения зависит от условий среды. Поэтому гетерозиготные штаммы можно долго размножать бесполым путем, не опасаясь, что они перестанут быть чисто гетерозиготными.
Использованные коллекции включают около 6 тыс. гетерозиготных штаммов — именно столько генов содержится в геноме дрожжей. В каждом из штаммов на одной из хромосом удален один ген (по одному в каждом штамме). Число гомозиготных штаммов, т. е. таких, у которых тот или иной ген удален на обеих хромосомах, меньше — около 5 тыс. Их на тысячу меньше, потому что именно столько генов — 1 тыс. — являются абсолютно необходимыми. Их удаление на обеих хромосомах смертельно для дрожжей даже при выращивании в самой благоприятной среде.
Каждый из этих штаммов тестировался в разнообразных нестандартных условиях. В среду добавляли всевозможные химические вещества, в том числе лекарства, подавляющие рост микроорганизмов, или удаляли из среды какие-нибудь важные компоненты (аминокислоты, витамины). Каждый гетерозиготный штамм был испытан в 726 различных средах, каждый гомозиготный — в 418.
Ученые проделали поистине титаническую работу: общее количество выполненных тестов превысило 6 млн! В каждом опыте рост дрожжей в нестандартной среде сравнивался с ростом того же штамма в обычных лабораторных условиях.
Ранее было известно, что гомозиготные делеции 19 % генов являются летальными (это та самая «жизненно необходимая тысяча»); еще 15 % генов повышают приспособленность в стандартной богатой среде (иными словами, их делеция в гомозиготном состоянии снижает приспособленность). Оставалось еще 66 % генов, непонятно зачем нужных.
Оказалось, что подавляющее большинство этих «ненужных» генов оказываются полезными (повышают приспособленность) хотя бы в одной из протестированных сред. Только 205 генов (3 % от общего числа) так и не раскрыли своего секрета: среди испробованных условий не нашлось таких, где наличие этих генов оказалось бы полезным. Многие гены, как выяснилось, повышают устойчивость дрожжей к различным ядам, в том числе к лекарствам, применяемым для борьбы с патогенными микробами. Обнаружилась в том числе и обширная группа многофункциональных генов, которые обеспечивают дрожжам защиту сразу от многих ядов. Изучение этих генов поможет лучше понять механизмы устойчивости микроорганизмов к лекарствам.
Любопытная ситуация сложилась с транскрипционными факторами. В геноме дрожжей около 160 генов ТФ, однако лишь пять из них являются жизненно необходимыми при росте в идеальных условиях. Практически все ТФ оказались полезными в тех или иных нестандартных условиях, а 16 из них вошли в число многофункциональных «защитников», повышающих устойчивость дрожжей сразу ко многим отравляющим веществам. ТФ — основа системы реагирования клетки на внешние стимулы. Вместе с другими сигнальными и регуляторными белками их можно уподобить органам чувств и нервной системе животных. Чем меньше транскрипционных факторов, тем «глупее» клетка. Вполне естественно, что в тепличных условиях сложные системы реагирования становятся ненужными — на этом принципе основана и быстрая редукция генов ТФ у внутриклеточных бактерий, и закономерное уменьшение размеров мозга и снижение умственных способностей у домашних животных по сравнению с их дикими предками.
Исследование, таким образом, подтвердило теоретические ожидания, основанные на классическом дарвинистском принципе: если ген существует, значит, он зачем-то нужен. Число якобы «ненужных» генов в геноме дрожжей теперь сократилось с 66 % до 3 %, да и эти оставшиеся гены с неизвестной функцией, скорее всего, тоже для чего-нибудь нужны дрожжам в естественных условиях. Те же из них, которые действительно стали ненужными, могут находиться в той или иной стадии деградации. И действительно, более трети из этих 205 генов уже не функционируют (не экспрессируются).
—————
Избыточность и эволюционная пластичность
Как мы уже отмечали в главе 4, отбор на стабильность, т. е. фактически на постоянство и неизменность, парадоксальным образом повышает эволюционную пластичность (приспособляемость) организмов, т. е. склонность к изменениям. Механизм прост. Отбор поддерживает такие мутационные изменения генно-регуляторных сетей, которые повышают устойчивость развития. Устойчивость — это гарантия того, что у организма все ноги, глаза и прочие части тела будут на своих местах, невзирая на помехи, возникающие в ходе развития. Помехи бывают трех сортов: 1) изначальная стохастика в поведении клеток, о который говорилось выше; 2) мутации, нарушающие работу тех или иных внутриклеточных систем; 3) перемены внешних условий.
Самое важное, что любой регуляторный контур, защищающий от помех одного типа, как правило, будет защищать и от помех других типов. Например, если развился регуляторный контур, снижающий выработку вещества А, когда его концентрация превышает определенный порог, то этот контур будет защищать организм от перепроизводства вещества А независимо от того, по какой причине возникла угроза перепроизводства. Мутировал ли ген, отвечающий за синтез вещества А, или чисто случайно в ходе развития слишком много клеток начали его синтезировать, или его производство подскочило из-за перегрева — все равно стабилизирующий контур сработает и приведет уровень А к норме.
Развитие таких контуров, в свою очередь, способствует накоплению скрытой изменчивости. Мутации, эффекты которых были бы вредными в отсутствие этого контура, получают возможность свободно накапливаться.
Если стабилизирующий контур вдруг выйдет из строя из-за очень сильного внешнего воздействия или из-за мутации, вся эта накопленная скрытая изменчивость может стать явной. Если какое-то из проявившихся изменений окажется адаптивным в новых условиях, отбор начнет «собирать» новые стабилизирующие контуры уже вокруг этого измененного, нового фенотипа, постепенно делая его более стабильным.
Взаимосвязь устойчивости к разным типам помех наглядно проявляется в программе EvoDevo. Например, чтобы добиться стабильного развития ног у сегментированного червячка, показанного на рисунке, нам пришлось поставить рост зачатков ног в зависимость от пяти морфогенов, образующих градиенты концентраций в сегментах тела. Без этой кажущейся «избыточности» ноги развивались сравнительно хаотично. Как бы мы ни старались, сегменты все равно получаются немного разными, поэтому в одних сегментах выручают одни, в других — другие регуляторы.
Внесем в этот стабилизированный генотип мутацию, меняющую алгоритм закладки конечностей. Исходно зачатки ног могли формироваться только из клеток брюшного эпителия (это клетки белого цвета). Мутация привела к тому, что они получили возможность формироваться из клеток любого типа (мы просто убрали условие «если ты клетка такого-то типа» из инструкции, руководящей превращением клеток в зачатки ног). Эффект мутации оказался на удивление невелик: ноги не выросли повсюду, как можно было бы ожидать. «Лишние» ноги появились только на спине, потому что во всех остальных частях организма не выполняются дополнительные условия, накладываемые регуляторными контурами. Так проявляется помехоустойчивость развития и универсальность стабилизирующих регуляторов. Мы ввели их в генотип, чтобы бороться с внутренней стохастикой онтогенеза, но они сгодились и для того, чтобы уменьшить чувствительность онтогенеза к мутациям.
Но возьмем менее стабилизированный генотип, в котором закладка конечностей зависит от концентрации только двух морфогенов, и внесем точно такую же мутацию — позволим конечностям развиваться из любых типов клеток. Хотя разница двух червячков с виду не так уж велика, но эффект мутации в этом случае оказался намного более серьезным. Расположение конечностей стало гораздо менее упорядоченным, ноги теперь выросли по всему телу, включая голову, и строение ног тоже изменилось — они стали толстые и кривые.
Мы даже не сразу поняли, почему ноги стали толстыми и кривыми. Как оказалось, дело в том, что теперь набор условий, необходимых для превращения клетки в зачаток ноги, стал время от времени выполняться и в самих растущих ногах, поэтому каждая такая толстая нога в действительности является несколькими сросшимися ногами.
Избыточные регуляторы — типичный пример адаптаций, которые поддерживаются отбором «для стабильности», но в конечном счете способствуют эволюционным изменениям.
