Помехоустойчивость и избыточность

Пример «онтогенетической стохастики» в программеEvoDevo . Генотипы, содержащие недостаточное количество стабилизирующих обратных связей, дают нестабильный результат. При этом желаемый («хорошо приспособленный») фенотип будет получаться лишь изредка. Чтобы перейти от нестабильного фенотипа (вверху) к более стабильному (внизу), нам пришлось усложнить генотип (программу развития) на 50 %.

—————

Избыточность и обратные связи в работе шпемановского организатора

Главная функция организатора Шпемана состоит в создании стабильной дорзовентральной (спинно-брюшной) разметки эмбриона. Там, где концентрация активных белков из группы BMP (bone morphogenetic proteins) минимальна, клетки наружного слоя зародыша превращаются в нервные. Формируется нервная пластинка — зачаток центральной нервной системы. Там будет спинная сторона. Нервная пластинка в свою очередь индуцирует развитие других органов и структур. Остальные клетки наружного слоя под действием морфогенов BMP — а их больше на будущей брюшной стороне зародыша — становятся клетками эпителия. Спинной (шпемановский) организатор производит белок-морфоген хордин, который блокирует действие BMP. Там, где много хордина, мало активных молекул BMP, в результате в этой области зародыша формируется спина.

Казалось бы, вот и хорошо: система из двух взаимодействующих морфогенов, BMP и chordin, вполне достаточна для дорзовентральной разметки зародыша. Какие-то дополнительные ухищрения здесь, наверное, не нужны. Не тут-то было!

Как выяснилось, помимо основного регуляторного взаимодействия «хордин блокирует BMP» в создании дорзовентральной полярности у позвоночных участвует целый ряд морфогенов и связей между ними. Спинной организатор «общается» с брюшным организующим центром посредством белков-морфогенов, выделяемых в межклеточное пространство. Все эти морфогены тем или иным способом влияют на дорзовентральный градиент BMP, усиливая или ослабляя его. Отрицательные обратные связи, которыми изобилует эта регуляторная сеть, делают градиент BMP устойчивым к разнообразным помехам и нарушениям. Например, если производство BMP по какой-то причине увеличивается, это приводит к росту экспресии белка Sizzled, который подавляет активность белка Tolloid, который в свою очередь выводит из строя хордин, инактивирующий BMP (см. рисунок ниже). Получается типичный регуляторный контур, основанный на отрицательной обратной связи: больше BMP → больше Sizzled → меньше Tolloid → больше Chordin → меньше BMP.

Благодаря наличию нескольких таких контуров градиент BMP оказывается на редкость устойчивым. Генно-инженерные эксперименты показали, что для того, чтобы серьезно нарушить этот градиент — и получить, например, полностью «дорзализованный» эмбрион, у которого весь наружный слой клеток превращается в нервную ткань, или полностью «вентрализованный» эмбрион вообще без нервной пластинки, — недостаточно вывести из строя какой-то ключевой ген-регулятор. Даже без хордина, даже без BMP4 дорзовентральный градиент все равно худо-бедно формируется за счет дополнительных регуляторных контуров и морфогенов-«дублеров». Нужно выключить сразу 3–4 гена, чтобы нарушения развития стали действительно катастрофическими ( De Robertis, 2009). Вот что значит настоящая помехоустойчивость!

Разумеется, естественный отбор не стал бы создавать столь поразительный запас прочности только на случай прихода любопытных биологов, которые начнут отключать в эмбрионах гены. В природе и без нас хватает неприятных неожиданностей: перемены климата и химического состава среды, мутации, неудачные комбинации родительских генов… Все это может нарушить работу тех или иных генных систем. Поэтому в общем случае генотипы, обеспечивающие более помехоустойчивое развитие, получают преимущество над генотипами, срабатывающими только в тепличных условиях. Ну а если жизнь становится более предсказуемой — как, например, у внутриклеточных паразитов — может произойти редукция стабилизирующих систем и упрощение генетической программы развития.

—————

Регуляторная сеть, обеспечивающая дорзовентральную (спиннобрюшную) разметку эмбриона шпорцевой лягушкиXenopus . ИзDe Robertis, 2009 .

«Родословная» клеток кишечника в развитии эмбрионаC. elegans . Кишечник взрослого червя состоит из 20 клеток. Все они являются потомками бластомера E, который происходит от бластомера EMS, а тот — от P1. Бластомер P1 образуется в результате первого деления оплодотворенной яйцеклетки (P0). «Братом» бластомера EMS является бластомер P2 — организатор, формирующий передне-заднюю полярность зародыша при помощи морфогена Wnt. ИзRaj et al., 2010 .

Регуляторный каскад, приводящий к включению генаelt-2 в клетках будущего кишечника. Генskn-1 (точнее, белковый продукт этого гена) активирует геныmed-1/2 ,end-3 иend-1 . Два последних гена активируют генelt-2 , который включает сразу сотни генов, необходимых для превращения бластомеров в клетки кишечника. Несмотря на крайнюю простоту этого регуляторного каскада (по сравнению с тем, что наблюдается у других животных), в нем много «избыточности»: активация одного и того же гена осуществляется не одним, а несколькими параллельными путями. ИзRaj et al., 2010 .

—————

Зачем нужны «ненужные» гены

Похоже, это общее правило: когда мы сталкиваемся с кажущейся избыточностьюживых систем (а природа прямо-таки переполнена примерами «избыточности»), при ближайшем рассмотрении выясняется, что мы имеем дело с адаптациями, развившимися под действием отбора для повышения помехоустойчивости.

Например, именно к такому выводу пришли биологи, изучавшие «лишние» гены у дрожжей.

Чтобы узнать, зачем нужен тот или иной ген, проще всего испортить его мутацией или вовсе отключить и посмотреть, как это отразится на фенотипе. Можно двигаться и в обратном направлении: обнаружив измененный (мутантный) фенотип, пытаться выяснить, изменения какого гена (или генов) привели к таким последствиям. Раньше генетики почти всегда шли вторым путем, а в последнее время в связи с развитием генной инженерии и других современных методик все чаще используется первый путь.

При этом на удивление часто обнаруживается, что тот или иной ген (или некодирующий участок ДНК) как будто ни для чего и не нужен: его удаление не приводит ни к каким видимым последствиям и не снижает жизнеспособность организма.

Например, недавно выяснилось, что отключение гена SREB2, активно работающего в клетках мозга, не только не вредит здоровью мышей, но даже приводит к небольшому увеличению размера мозга и улучшает память ( Matsumoto et al., 2008). Между тем этот ген является ультраконсервативным: белок, им кодируемый, у всех млекопитающих абсолютно одинаковый — за всю историю класса млекопитающих в нем не изменилась ни одна аминокислота. Мелкие изменения в некодирующих участках (интронах) этого гена у человека ассоциируются со склонностью к шизофрении, а небольшое увеличение экспрессии этого гена у тех же мышей вызвало у них серьезные психические отклонения, напоминающие вышеупомянутое душевное заболевание. Все косвенные признаки, казалось бы, говорят о том, что ген должен быть жизненно важным, — однако мыши с отключенным геном SREB2чувствуют себя превосходно и даже обучаются разным мышиным премудростям быстрее своих немутантных товарок.

Как объяснить такие странные результаты? Неужели многочисленные «ненужные» гены, найденные в ходе подобных экспериментов, действительно совсем не нужны их обладателям? Но если ген становится ненужным, то он, по идее, должен быстро выходить из строя и разрушаться под действием случайных мутаций, не отсеиваемых отбором. Как тогда объяснить высокую консервативность, т. е. эволюционную устойчивость многих из этих генов, что проявляется в высоком уровне их сходства у далеких друг от друга видов?

Самый очевидный (а во многих случаях и единственно возможный) ответ состоит в следующем. Вероятно, эти гены зачем-то все же нужны, но не в тепличных условиях лаборатории, а в природе, где живым существам приходится иметь дело с переменчивыми и малопредсказуемыми факторами среды. Логично предположить, что чем постояннее и предсказуемее условия обитания, тем сильнее может упроститься генетическая программа поведения клетки (или многоклеточного организма). Именно этим объясняют, например, радикальное сокращение геномов у внутриклеточных симбиотических бактерий. Условия, в которых живут лабораторные организмы, предельно стандартизованы (стандартные среды, корма, клетки, освещенность и т. д.), что делает их существование с эволюционной точки зрения мало отличающимся от жизни внутриклеточных паразитов.

Это рассуждение, однако, хорошо бы проверить экспериментально. Именно это и проделали генетики из США и Канады, изучившие «ненужные гены» у дрожжей Saccharomyces cerevisiae( Hillenmeyer et al., 2008). У этого вида грибов можно удалить или отключить 2/3 генов без всякого снижения жизнеспособности. Правда, с одним маленьким уточнением: речь идет о жизнеспособности в стандартных «богатых» лабораторных средах, насыщенных всеми необходимыми веществами.

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).

—————

Отправить