Нерешенные проблемы теории эволюции - Красилов Валентин Абрамович - Страница 21

Повторы широко и разнообразно задействованы в системе контроля генной активности. Включение гена происходит через промотор, который расположен на некоторой дистанции, примерно в 40—100 пар оснований от гена. Сам промотор состоит из нескольких субъединиц. Специальные белки, распознающие те или иные элементы промотора, связываются с ним и открывают (может быть, путем раскручивания ДНК) или закрывают доступ к нему транскриптазе [Dynan, Tjian, 1985]. Еще один элемент регу-ляторной системы — энхенсер (усилитель), расположенный примерно в 1000 пар оснований от промотора, влияет на его активность и служит как бы посредником между геном и продуктами других генов или гормонами. Известно, что выпадение повторов в промоторе или энхенсере радикально изменяет экспрессию гена, причем тандемные дупликации дают возврат к норме [Негг, Glazman, 1985]. Таким образом, одним из следствий направленного изменения — недорепликации в ходе последовательных клеточных делений — повторяющихся нуклеотидных последовательностей может быть изменение структуры регуляторных элементов и соответственно переход гена из неактивного состояния в активное или наоборот, который сопровождается переходом от ранней репликации к поздней или наоборот. Ослабление транскрипционной активности гена обычно сопровождается сдвигом его репликации к поздней фазе.

Но возможен и другой путь воздействия на генную активность, сигналы от промоторов и энхенсеров могут первоначально не достигать цели, находящейся на слишком большом расстоянии от них; выпадение промежуточных нуклеотидных последовательностей сокращает дистанцию и способствует активизации гена. Может быть, по этому принципу действуют подвижные повторы семейства Alu, участвующие в регуляции генной активности и претерпевающие количественные изменения в ходе клеточной дифференциации.

Эти и некоторые другие гипотезы, которые мы здесь не будем рассматривать, возлагают на повторную ДНК, точнее на ее эволюцию в ходе онтогенеза, роль своеобразного счетчика митозов, определяющего, во взаимодействии с внешними факторами, порядок включения генов. Иными словами, последовательность генной активности выступает здесь как функция направленной эволюции генома в онтогенезе.

С этих позиций легко объяснить старение клеточных клонов и многоклеточных организмов, причем показательно, что в стареющих клеточных линиях возрастает частота хромосомных разрывов, приходящихся, как правило, на районы повторной ДНК — косвенное свидетельство изменения ее структуры. Изменение генома в течение жизни — по-видимому, неизбежное следствие многоклеточности и сложного онтогенеза. Если бы каждый организм передавал потомству все генетические изменения, которые он накопил при жизни, то темпы эволюции ускорились бы во много раз, не было бы ничего устойчивого. Поэтому в связи с усложнением онтогенеза понадобились меры против наследования онтогенетических изменений генома. Одна из них — раннее обособление клеточной линии, ведущей к половым клеткам. Этого, очевидно, недостаточно, поскольку направленные изменения генома. могут происходить очень рано, как мы уже отмечали. Кроме того, геноплазма не изолирована полностью от сомы, находится в общем информационном потоке и может подвергнуться наведению мутаций, допустим, с помощью тех же маленьких молекул, которые передают позиционную информацию. Дополнительные меры — это органичение репродуктивного возраста и мейотическая репарация ДНК, устраняющая часть накопленных изменений. Может быть, поэтому половое размножение — хотя бы периодическое, чередующееся с бесполым — так важно для сохранения структуры генома.

Несмотря на эти меры, онтогенетические изменения генома, кажется, все же частично передаются потомству, усиливаясь из поколения в поколение, в последовательных онтогенезах, сохраняющих направленность геномной эволюции.

Известно, что скачкообразные изменения числа копий повторяющихся генов влияют на скорость роста организма в целом и координацию развития частей. Например, нехватка копий генов рибосомной РНК у плодовой мушки дает мутантный фенотип bobbed, характеризующийся не только отдельными онтогенетическими аномалиями, но и общим замедленным развитием. Хотя в данном случае речь идет о нежизнеспособном фенотипе, можно предположить, что аналогичные, но более мягкие формы макромутаций давали те гетерохронии и педоморфозы, следы которых мы находим в эволюционной летописи (см. выше).

Отметим, что протоонкогены («клеточные онкогены») также участвуют в регуляции роста и клеточной дифференциации. В изменении активности клеточных онкогенов, ведущем к злокачественному преобразованию клеток, какую-то, может быть даже главную, роль играет амплификация [см., например, Chaum et al, 1984].

Эти соображения позволяют, как мне кажется, лучше понять такие пока не получившие исчерпывающего объяснения явления, как старение, ограничение репродуктивного возраста, половой процесс и онкогенез, имеющий много общего с макроэволюционными преобразованиями. В частности, старение выглядит естественным следствием направленного изменения генома в течение жизни особи, размножение в определенном возрасте — стабилизирующий фактор, уменьшающий изменчивость, связанную с возраг гным накоплением изменений генома, и половой процесс в основном служит той же цели.

Я считаю традиционное представление о половом процессе как средстве увеличения изменчивости, служащей материалом для отбора, настолько метафизичным, что оно граничит с мистикой: тут уже не случайность, как в мутагенезе, а какая-то неведомая целеполагающая сила заботится о том, чтобы эволюционный механизм не простаивал. В действительности половой процесс следует, видимо, рассматривать как стабилизирующий фактор, не увеличивающий, а сокращающий подлежащую отбору изменчивость и, таким образом, смягчающий действие отбора, а не усиливающий его. Во-первых, часть генетических отклонений снимается мейотической репарацией. Затем, гетерозиготность дает более устойчивое развитие организма (меньше отклонений от нормы), может быть, из-за большего разнообразия продуктов структурных генов, но главным образом из-за большего разнообразия регуляторных элементов, обеспечивающих своевременное включение генов на разных уровнях накопления сигнала. И наконец, она позволяет неблагоприятным в гомозиготном состоянии мутациям избежать цензуру отбора. В силу этого половой процесс можно отнести к прогрессивным приспособлениям.

Мы коснулись только одной стороны сложного процесса эволюции генома в ходе развития — автономных изменений его структуры. Но изменения могут происходить и под влиянием внутриклеточной среды, причем именно они, вероятно, наиболее важны для понимания эволюционных явлений, которые описывались как прямолинейное развитие (ортогенез) и связывались с «наследованием приобретенных признаков», «длительными модификациями» или «генетической ассимиляцией». Я приведу только один, но, кажется, достаточно показательный пример из области длительных модификаций, на который обратил мое внимание Л. Ван Вален. Известно, что недоедание плохо влияет на рост, а достаточное питание — хорошо. Такого рода различия в росте, казалось бы, никаких эволюционных последствий не имеют. Однако у одной разновидности льна-долгунца усиленная фосфорная и азотная подкормка дает трех — шестикратное увеличение в размерах, которое наследуется в ряду поколений независимо от питания, но при постоянной температуре. Содержание ядерной ДНК тоже увеличивается. При снижении температуры размеры и содержание ДНК постепенно приходят в норму (мне хотелось бы обойтись минимальным количеством библиографических ссылок, но в данном случае приведу более полную литературу, чтобы показать, что речь идет о хорошо изученном явлении [Durrant, 1962; Joarder et al., 1975; Callis, 1975; Timmis, Ingle, 1973, 1974].

Температура, концентрация солей, различные проникающие в клетку вещества влияют на скручивание спирали ДНК и включение генов, которое требует определенного биохимического фона, подготовленного работой других ядерных и неядерных генов, но зависящего и от внешних условий. Вещества, проникающие в клетку в ходе жизнедеятельности организма, могут подавлять или стимулировать активность гена. Изменение поведения, повышение или понижение активности того или иного органа («упражнение — неупражнение») изменяет спрос на продукты тех или иных генов. Хорошим примером может быть увеличение содержания РНК в клетках мозга при обучении (и у крыс, помещенных в так называемую обогащенную среду, стимулирующую исследовательское поведение). При этом, кажется, происходит не только активизация, но и избирательная амплификация нужных генов [Третьяк, 1985].