Эволюция на двух уровнях: о генах и формах
С.Б. Кэрролл "Эта статья основана на курсе лекций памяти Аллана Уилсона, прочитанных в Университете штата Калифорния, Беркли, США, в октябре 2004 г. В классической работе «Эволюция на двух уровнях у людей и шимпанзе», опубликованной 30 лет назад, Мэри-Клер Кинг и Алан Уилсон описали огромное сходство между многими белками человека и шимпанзе (King, Wilson, 1975). Их вывод гласил, что столь малая степень молекулярной дивергенции не может являться причиной анатомических или поведенческих различий между шимпанзе и людьми. Они предположили, что эволюционные изменения анатомии и образа жизни чаще основываются на изменениях в экспрессии генов, а не на изменениях в последовательностях белков.
Эта статья была ключевым событием в трех аспектах. Во-первых, в ней впервые было проведено сравнение большой выборки белков близкородственных видов, и, таким образом, ее можно считать одним из первых вкладов в «сравнительную геномику» (хотя это направление появилось только лишь два десятка лет спустя). Во-вторых, поскольку на основании экстраполяции молекулярных данных авторы делали выводы об эволюции морфологических признаков, эта работа также может считаться пионерским исследованием в области эволюционной биологии развития. В-третьих, акцент на эволюцию человека и его способностей в сравнении с нашим ближайшим ныне живущим родственником стимулировал поиск генетических основ происхождения отличительных признаков человека. Как и большинство работ Уилсона и его коллег, эта статья оказала огромное влияние как на палеоантропологов, так и на молекулярных биологов.
Юбилей статьи М.-К. Кинг и А. Уилсона совпал с моментом, когда сравнительная геномика, эволюционная биология развития и эволюционная генетика располагают беспрецедентными объемами новых данных, а полный геном шимпанзе доступен для изучения. Таким образом, пришло время для того, чтобы рассмотреть то, что уже сделано, и то, что делается сейчас для выявления взаимосвязи эволюционных процессов, происходящих на двух уровнях - молекулярном и организменном, а также оценить статус гипотезы Кинг и Уилсона о доминирующей роли регуляторных мутаций в эволюции организмов.
Кинг и Уилсон предположили, что эволюция и анатомии, и физиологии, и поведения направлялась изменениями в регуляции экспрессии генов. Прежде всего, надо четко различать эволюцию анатомии и эволюцию физиологии. Изменения таких физических признаков организма, как размер, форма, число или цветовой узор, коренным образом отличаются от изменений, присущих химическим и физиологическим процессам. Многочисленные свидетельства, полученные при изучении эволюции белков, участвующих в восприятии зрительной информации (Yokoyama, 2002), в дыхательных процессах (Jessen et al., 1991), в пищеварительном метаболизме (Zhang et al., 2002) и защите организма-хозяина (Hughes, 2002), говорят о том, что эволюция кодирующих последовательностей играет ключевую роль в формировании некоторых (однако отнюдь не всех) важных физиологических различий между видами. Напротив, вопрос об относительном вкладе эволюции кодирующих и регуляторных последовательностей в эволюцию анатомии все еще остается открытым, чему я и собираюсь уделить основное внимание.
Объем имеющихся в настоящее время прямых доказательств достаточно скромен и включает примеры того вклада, который вносят как кодирующие, так и некодирующие регуляторные последовательности в эволюцию морфологии. Тем не менее я собираюсь представить систему доказательств, основанных как на теоретических рассуждениях, так и на эмпирических исследованиях, объем которых растет очень быстро, того, что эволюция регуляторных последовательностей должна вносить основной вклад в эволюцию формы.
Проверка этого вывода методами сравнительной геномики сопряжена с серьезными трудностями. Зная первичную структуру кодирующей последовательности, мы можем достаточно просто определить ее функцию.
В то же время мы, как правило, не способны расшифровать функциональные свойства некодирующих последовательностей на основе простого изучения их первичной структуры.
Это привело к смещению исследований в сравнительной геномике и эволюционной генетике в сторону анализа и описания легко выявляемых событий, происходящих в кодирующих районах, таких, как дупликации генов и эволюция
белковых последовательностей, в то время как некодирующие регуляторные последовательности часто просто игнорируются. Однако некодирующие последовательности составляют не менее двух третей всех последовательностей нашего генома, которые находятся под воздействием стабилизирующего отбора (Waterston et al., 2002). Одним из последствий недостаточного внимания к некодирующим регуляторным последовательностям является возникновение неоправданных надежд на то, что мы можем понять генетические основы морфологического разнообразия на базе простого сравнения геномных последовательностей. Видимое разнообразие любой группы не отражается наиболее легко заметными компонентами генного разнообразия, т. е. разнообразием числа генов или их кодирующих последовательностей.
Для того чтобы понять эволюцию анатомии, мы должны исследовать и осмыслить регуляторные последовательности, а также и те белки, которые участвуют в объединении этих последовательностей в регуляторные контуры, управляющие развитием. Я начну с некоторых исторических и теоретических рассуждений об эволюции регуляторных и кодирующих последовательностей, затем перейду к соображениям, которые возникают при использовании конкретных экспериментальных моделей эволюции анатомии, и, наконец, возвращаясь к исходной точке зрения Кинг и Уилсона, мы обсудим, какое отношение имеет наше понимание морфологической эволюции к современным попыткам понять эволюцию человека.
Развитие представлений о роли регуляторных последовательностей в эволюции
Полвека назад определение первых последовательностей ряда белков, принадлежащих различным видам, быстро привело к признанию потенциальной значимости макромолекул для понимания эволюционных процессов (Crick, 1958). Значительное сходство гомологичных белков различных видов было отмечено практически сразу (Zuckerkandl, Pauling, 1965) и вызвало вопрос, в какой мере наблюдаемые различия последовательностей являются функционально значимыми (Kimura, 1969). С появлением модели оперонной регуляции генов (Jacob, Monod, 1961) ряд биологов, например Эмиль Цукеркандль, стали рассматривать возможную роль «генов-контролеров» в эволюции, в том числе и в происхождении человека от обезьяны (Zuckerkandl, 1964). Среди теоретических достижений этого периода следует отметить модели регуляции генов у высших организмов, предложенные Роем Бриттеном и Эриком Дэвидсоном, которые абсолютно определенно подчеркивали важность регуляции генов для процесса эволюции (Britten, Davidson, 1969, 1971).
Однако наибольшее влияние в этот период оказала одна публикация - книга Сусуму Оно «Evolution by gene duplication» (Ohno, 1970; В русском переводе эта книга называется «Генетические механизмы прогрессивной эволюции», М.: Мир, 1973. ). С. Оно обратил особое внимание на то, что избыточность генов открывает возможность для появления прежде «запрещенных» мутаций, которые способны наделять белки новыми функциями. Отправной девиз С. Оно - «естественный отбор всего лишь модифицировал, тогда как избыточность создавала» - отражает представление о естественном отборе как о процессе в значительной степени стабилизирующем, консервативном. С. Оно утверждал, что «аллельные мутации уже существующих генных локусов не могут вызывать крупных эволюционных изменений». Он предположил, что дупликация регуляторных генов и их контролирующих районов несомненно внесла значительный вклад в эволюцию позвоночных. Однако эта книга была сфокусирована исключительно на эволюции новых белков и не рассматривала созидательный потенциал некодирующих регуляторных последовательностей в создании эволюционной дивергенции (см. Ohno, 1972).
На фоне этих идей и взглядов Алан Уилсон и его коллеги начали серию исследований взаимоотношений между эволюцией хромосом, эволюцией белков и морфологической эволюцией у птиц (Prager, Wilson, 1975), млекопитающих (Wilson et al., 1974a), лягушек (Wilson et al., 1974b) и человекообразных обезьян (King, Wilson, 1975). Несоответствие между эволюцией белков и морфологическими преобразованиями, обнаруженное во всех четырех исследованиях, привело к выводу, что основой морфологической эволюции были эволюционные изменения в «регуляторных системах».
Подобным же образом Франсуа Жакоб предположил, что дивергенция и специализация - это скорее всего результат мутаций, изменяющих «регуляторные контуры», а не химические структуры (Jacob, 1977). Относительный вклад различных механизмов в морфологическую эволюцию зависит как от того, что является возможным с генетической точки зрения, так и от того, что разрешено с точки зрения естественного отбора. Прежде чем перейти к подробному разбору данных, непосредственно относящихся к эволюции анатомии и к вопросу о том, насколько они соответствуют изначальным ожиданиям Кинг и Уилсона, мне кажется полезным рассмотреть в свете нашего сегодняшнего понимания функционирования генов в многоклеточных организмах вопрос о том, какие существуют механизмы и какие факторы определяют их использование в эволюции.
Плейотропия и генная архитектура многоклеточных организмов
Одним из критических факторов, который определяет относительный вклад различных генетических механизмов в изменчивость по морфологическим признакам, является плейотропия (Stern, 2000). Принято считать, что мутации с бóльшими плейотропными эффектами более вредны по их воздействию на приспособленность организмов, являясь соответственно менее общеупотребительным источником изменчивости формы по сравнению с мутациями, которые имеют меньший спектр плейотропии.
За последние 30 лет был выяснен целый ряд ключевых свойств структуры, функционирования и регуляции генов в многоклеточных организмах, которые управляют плейотропностью мутаций и тем самым формируют способность видов порождать морфологическую изменчивость и эволюционировать. Благодаря этим свойствам мутации в различных генах и различных частях генов (т. е. в некодирующих и кодирующих последовательностях) могут разительно отличаться по степени их плейотропии. Например, мутация в кодирующей области транскрипционного фактора, который функционирует во многих тканях, может непосредственно воздействовать на все гены, регулируемые данным белком. Напротив, мутация в одном цис-регуляторном элементе будет влиять на экспрессию гена только в том домене, который регулируется этим элементом.
Джон Герхарт и Марк Киршнер (Gerhart, Kirschner, 1997; Kirschner, Gerhart, 1998) детально обсудили, каким образом определенные свойства генетических регуляторных систем животных влияют на «способность к эволюции» - способность генерировать «совместимую с жизнью» наследуемую изменчивость. Например, избыточность уменьшает ограничение на изменения, позволяя обойти или свести к минимуму потенциально пагубное влияние некоторых мутаций. Компартментализация также способствует изменениям; при разобщении изменений, возникающих в одном процессе, и изменений, возникающих в другом, плейотропия уменьшается.
Целый ряд генетических свойств вносит вклад в избыточность и компартментализацию. Например, дупликация генов создает изначально избыточные паралоги. Соответственно мутации, которые могли бы быть губительными, произойди они в предковом гене, становятся разрешенными и позволяют тем самым осуществить «исследование» нового варианта вне зависимости, находится ли он в кодирующем или регуляторном районе или же в обоих (рис. 1а). Подобным же образом увеличенное число и разнообразие цис-регуляторных элементов создает компартментализацию, делая возможным независимый контроль транскрипции гена в разных частях тела (рис. 1б).
Использование альтернативных промоторов и сайтов сплайсинга РНК также способствует компартментализации, обеспечивая возможность тканеспецифической продукции альтернативных форм белка и продукции альтернативных форм белка отдельными типами клеток (рис. 1в). Изменчивость может возникать либо в регуляторных последовательностях, которые управляют использованием промоторов или выбором сайтов сплайсинга, либо в кодирующих последовательностях экзонов. Три механизма: 1) дупликация генов; 2) экспансия регуляторных последовательностей и их диверсификация и 3) экспрессия альтернативных изоформ белков - приводят к одному и тому же общему результату, а именно: они обогащают источники изменчивости и минимизируют плейотропию, связанную с эволюцией кодирующих последовательностей.
Тогда глобальный вопрос о генетической основе морфологической эволюции сводится к вопросу об относительном вкладе, который вносят дупликация генов, изменение регуляторных последовательностей и изменение кодирующих последовательностей за время эволюции. Рассмотрим вначале, что нам известно о роли регуляторных последовательностей, а затем перейдем к обсуждению вклада кодирующих последовательностей и дупликации генов в эволюцию морфологических признаков.
Регуляторные последовательности и эволюция анатомии
За последнее десятилетие сравнительное изучение экспрессии генов различных животных и растений, относящихся ко всем таксономическим уровням, выявило общую связь между приобретением, потерей и модификацией морфологических признаков с одной стороны, и изменением регуляции генов в процессе развития - с другой (Davidson, 2001; Carroll et al., 2005). Изменения экспрессии индивидуального гена могут развиваться через изменения в цис-регуляторных последовательностях или в спектре активности транскрипционных факторов, которые контролируют экспрессию этого гена, или же в результате обоих процессов.
Чтобы пролить свет на механизмы, которые управляют эволюцией специфических признаков и генов, необходимо было исследовать модели, на которых с использованием генетических и молекулярных методов можно идентифицировать и анализировать функциональные различия между популяциями или видами. Такой детальный анализ был возможен для: волосков (Stern, 1998; Sucena, Stern, 2000; Sucena et al., 2003), щетинок (Genissel et al., 2004) и характера пигментации (Kopp et al., 2000) у плодовых мушек; окраски цветков (Durbin et al., 2003), архитектуры (Yoon, Baum, 2004) и типа ветвления у растений (Wang et al., 1999); разнообразия конечностей (Shapiro et al., 2004) и осей тела у позвоночных (Belting et al., 1998). В небольшом числе работ было генетически продемонстрировано, что эволюция определенных локусов повлияла на приобретение (Wang et al., 1999), потерю (Sucena, Stern, 2000; Sucena et al., 2003; Shapiro et al., 2004) или модификацию (Stern, 1998) морфологических признаков.
Результаты этих исследований, приведенные ниже, позволяют категорически исключить изменения кодирующих последовательностей из круга возможных причин этих изменений и, таким образом, указывают на эволюцию регуляторных последовательностей в локусах, кодирующих плейотропные транскрипционные факторы. В нескольких случаях были получены прямые доказательства функциональных изменений цис-регуляторных элементов (Belting et al., 1998; Wittkopp et al., 2002; Gompel et al., 2005).
У плодовых мушек обнаружено множество четко различающихся паттернов черной пигментации на голове, груди, брюшке и крыльях. Эти паттерны регулируются посредством разнообразных весьма консервативных сигнальных путей и транскрипционных факторов, которые контролируют пространственную экспрессию ферментов, стимулирующих или ингибирующих формирование пигмента меланина (Wittkopp et al., 2003). У представителей рода, к которому относится Drosophila melanogaster, структурные гены, такие, как yellow, регулируются совокупностью цис-регуляторных элементов, которые управляют экспрессией гена в различных частях тела, например, в крыле и на брюшке (Wittkopp et al., 2002), а также в щетинках и ротовом аппарате личинок. Такая модульная организация цис-регуляторных элементов предполагает, что экспрессия гена и паттерн пигментации в различных частях тела эволюционируют независимо, посредством изменений индивидуальных цис-регуляторных элементов. Недавние работы показали, что это предположение совершенно справедливо (Wittkopp et al., 2002; Gompel et al., 2005) (рис. 2а).
Существует целый ряд четко выраженных общих черт эволюции паттерна пигментации у плодовых мушек. Многие или даже все структурные гены, вовлеченные в контроль этого признака, являются плейотропными; они работают в различных частях тела и участвуют в различных физиологических процессах (например, в синтезе нейротрансмиттеров и в контроле поведения). Более того, они регулируются, по крайней мере, частично, широко использующимися, высококонсервативными плейотропными регуляторными белками, некоторые из которых и сами регулируются высококонсервативными и эволюционно стабильными глобальными регуляторами, которые обеспечивают формирование структуры тела (Kopp et al., 2000).
Таким образом, в то время как изменения кодирующих последовательностей структурных и регуляторных белков сдерживаются плейотропией, модульные цис-регуляторные районы обеспечивают возможность появления огромного разнообразия вариантов через изменения регуляторных контуров посредством создания новых комбинаций сайтов для регуляторных белков в цис-регуляторных элементах (Gompel et al., 2005). Это разнообразие создается за счет «попыток подправить» регуляцию с помощью имеющихся компонентов, как это и предугадал Жакоб (Jacob, 1977).
Можно ли считать, что то, что справедливо по отношению к окраске, также справедливо и в случае более сложных признаков? Поскольку характер окраски тела столь важен для адаптации, то генетические системы, которые за него отвечают, могут быть более лабильными по сравнению с системами, которые регулируют более сложные признаки, такие, как организация тела, формирование конечностей и другие, более медленно эволюционирующие признаки. Однако имеющиеся доказательства говорят о том, что возникновение разнообразия других признаков, которые контролируются высокоплейотропными и в значительной мере консервативными белками, также может быть результатом эволюции регуляторных последовательностей.
Например, смещение рострокаудальных границ экспрессии гена Hox приводит к значительным различиям в формировании осей у позвоночных, членистоногих и кольчатых червей (Carroll et al., 2005). В одном случае, а именно для гена Hoxc8 курицы и мыши, было показано, что отличия в функционировании одного цисрегуляторного элемента приводили к различиям границ экспрессии этого гена в нервной трубке и параксиальной мезодерме (Belting et al., 1998).
В то время как различия в осевой морфологии эволюционируют медленно и относительно редко, некоторые характеристики скелета позвоночных, например брюшной плавник рыбы колюшки, изменяются быстро (Bell et al., 1985) и неоднократно (Shapiro et al., 2004). Редукция брюшного плавника, гомолога задней конечности четвероногих, происходит из-за изменений в локусе Pitx1 (Shapiro et al., 2004). Белок Pitx1 является плейотропным транскрипционным фактором, который участвует в развитии многих тканей у рыб, включая и задние конечности мышей. Экспрессия гена Pitx1 в структурах, предшествующих брюшному плавнику, у колюшек с редуцированным брюшным плавником оказалась утеряна при сохранении кодирующей области этого гена в совершенно интактном состоянии, подчеркнем, без каких бы то ни было изменений в кодирующей последовательности по сравнению с популяциями, имеющими полностью сформированные брюшные плавники.
Существует только одно объяснение, которое не противоречит этим наблюдениям, а именно, что регуляторные мутации в цис-элементах, регулирующих экспрессию в структурах, предшествующих брюшному плавнику, избирательно отключили экспрессию Pitx1 именно в этой части развивающегося организма, в то время как экспрессия гена во всех остальных частях тела оказалась незатронутой (рис. 2б).
Ключевым выводом, который следует из примеров эволюции генов Pitx1, yellow и Hoxc8, является то, что регуляторные мутации - это механизм, который обеспечивает изменение одного признака, не затрагивая роль этих плейотропных генов в других процессах. Это, по-видимому, самый важный, самый фундаментальный вывод эволюционной биологии развития. В то время как функциональные мутации в кодирующих районах обычно недопустимы и элиминируются стабилизирующим отбором, в регуляторных элементах разрешены даже те мутации, которые вызывают полную потерю его функции, поскольку компартментализация, создаваемая модульностью цис-регуляторных элементов, лимитирует влияние мутаций на отдельные части тела.
Означает ли это, что кодирующие последовательности не способны вносить какой-либо вклад в эволюцию морфологии? Ни в коей мере. Существует целый ряд ярких примеров функциональных изменений последовательностей белков, которые оказывают влияние на форму, и далее я на них остановлюсь. Необходимо не забывать о следующих ключевых вопросах: как часто и при каких условиях эволюция затрагивает функцию кодирующих последовательностей регуляторных молекул?
Кодирующие последовательности и эволюция анатомии
Читать далее