Корисні мутації перемикачів

Стійкість до отрут, вірусів, бактерій та іншим паразитам, захисне забарвлення, перетворення опадаючих насіння в неопадающіх – все це приклади простих адаптацій, для розвитку яких буває достатньо однієї-двох вдалих мутацій, підтриманих відбором. Більш глибокі перетворення складаються з десятків і сотень подібних «дрібниць». Одна проста корисна мутація може змінити ландшафт пристосованості для організму (або вивести його в нову область цього ландшафту) – наприклад, змінити взаємовідносини організму з середовищем, зробивши можливим життя в умовах, досі неприйнятних, – і в результаті якісь інші мутації, що колись були шкідливими, стануть корисними і рано чи пізно зафіксуються, відкривши можливості для нових змін.
Оскільки для великих еволюційних перетворень потрібно послідовне закріплення безлічі мутацій, такі зміни важко «розшифрувати» на молекулярному рівні, а вже поспостерігати навіч і зовсім неможливо через тривалість процесу. Ті випадки, які все-таки вдається розшифрувати, – це, мабуть, рідкісні, нетипові випадки, коли велике зміна забезпечується всього декількома мутаціями. Але такі випадки є, і ми поки не знаємо напевно, чи так уже мала їх роль на великих – еволюційно значимих – відрізках часу. Ми познайомимося з одним з таких випадків, коли всього дві мутації забезпечили цікаве і важливе адаптивне придбання у багатоклітинного тварини – нематоди (круглого хробака). В результаті двох мутацій нематоди придбали здатність до самооплодотворению – стали гермафродитами. Цей приклад важливий нам також для того, щоб показати, як в ході еволюції підлаштовуються один до одного різні гени, що регулюють певну функцію.
У більшості нематод, як і у багатьох інших тварин, стать визначається генетично, за допомогою статевих хромосом. Якщо в заплідненої яйце два X-хромосоми, з яйця розвинеться самка, якщо одна – самець (Haag, 2005). Однак у двох найбільш вивчених видів нематод, Caenorhabditis elegans і C. briggsae, особини з двома X-хромосомами – НЕ самки, а гермафродити. Їх гонади (статеві залози) на пізніх личинкових стадіях виробляють спермії. Нематоди втратили в ході еволюції джгутики, тому й спермії у них безжгутіковие. Вони схожі на амеб і пересуваються за допомогою псевдоподий. У гермафродитів безжгутіковие спермії пізніх личинок переповзають в спеціальні сховища – сперматеки – і тут чекають своєї години. Гонади дорослих гермафродитів виробляють вже не спермії, а яйцеклітини. Вони можуть бути запліднені як власними спермиями з сперматеки, так і спермиями самця в результаті спарювання.
Предки C. elegans і C. briggsae були нормальними раздельнополимі хробаками. Це випливає, зокрема, з того, що всі інші види роду Caenorhabditis – роздільностатеві. Мабуть, гермафродитизм у C. elegans і C. briggsae є «еволюційно молодим», новою ознакою. Щоб розібратися, як він виник, знадобилися вигадка, знання геномів декількох видів нематод і експерименти, здійснені американськими біологами (Baldi et al., 2009). Ось як це було.
Для початку уточнимо, які гени працюють при формуванні статевих відмінностей у нематод. Наявність однієї (а не двох) X-хромосом у самців служить тригером, що включає синтез білка HER-1, який інгібує білок TRA-2. Придушення активності TRA-2 через пару проміжних кроків призводить до знищення білка TRA-1, функція якого полягає в тому, щоб відключати ряд ключових генів, напрямних розвиток по «чоловічому» шляху (у тому числі ген fog-3, контролюючий сперматогенез [29] . У гермафродитів білок HER-1 не утворюється, але вони все одно справляють спермії, бо активність гена tra-2 на стадії личинки пригнічується білками FOG-2 і GLD-1. Таким чином, гермафродити виходять через введення в гру додаткового правила , пов’язаного з регуляцією гена tra-2.
Заплуталися? Нічого страшного, це в порядку речей. Регуляторні мережі, керуючі розвитком тварин, як правило, складні, громіздкі і неоптимальні [30]. На щастя, їх не потрібно вчити напам’ять нікому, крім студентів відповідних спеціальностей. Щоб полегшити справу, можна уявити страхітливе опис з попереднього абзацу у вигляді графічної схеми (див. Наступну сторінку).
На таких схемах стрілочками позначають позитивні впливу (включення гена, активація білка), а «Тупичке» – негативні (інгібування білка, придушення активності гена).
Так от, знаючи все це, дослідники подумали, що можна спробувати перетворити самок роздільностатеві виду C. remanei в гермафродитів, придушивши активність якого-небудь гена, блокуючого сперматогенез. Наприклад, гена tra-2.
Почали вони з того, що відключили tra-2 за допомогою РНК-інтерференції [31]. У результаті з яєць з двома X-хромосомами розвинулися замість самок звичайні самці, що виробляють нормальні спермії, але ніяких яйцеклітин.

Тоді вчені справедливо розсудили, що вони, мабуть, перестаралися. Адже у справжніх гермафродитів активність гена tra-2 хоч і знижена, але не до нуля. Коли цю ситуацію вдалося відтворити у C. remanei, зменшивши експресію tra-2, на світ з’явилися тварини, яких автори назвали псевдогермафродіти. Тіло у них було «жіноче», але в гонадах формувалися одночасно і яйцеклітини, і спермії. Правда, ці істоти виявилися нездатні до самозапліднення (звідси і приставка «псевдо»). Після схрещування з самцем превдогермафродіти відкладали запліднені яйця, хоч і в меншій кількості, ніж звичайні самки. Це означає, що яйцеклітини у них більш-менш нормальні, а нездатність до самооплодотворению, швидше за все, пояснюється дефектами сперміїв.
Дійсно, спермії псевдогермафродіти виявилися нормальні за всіма параметрами, крім одного: вони неактивні, нікуди не повзуть, і, зокрема, не перебираються в сперматеки.
У звичайних нематод спермії активуються (починають повзати) під впливом білків, що містяться в насінної рідини. Чи зберегли спермії псевдогермафродіти здатність активуватися під дією цих білків? Щоб це перевірити, автори схрещували псевдогермафродіти з самцями C. elegans. Самці C. elegans охоче спаровуються з самками C. remanei, але ці шлюби безплідні (як-не два види розійшлися, судячи з показань молекулярних годин, близько 80 млн років тому, а для розвитку генетичної несумісності зазвичай вистачає декількох мільйонів років [32]) . Ідея такого спарювання якраз і полягала в тому, щоб статеві клітини від різних видів не зливалися, але при цьому псевдогермафродіти могли отримати нормальні білки насінної рідини.
І коли після цього адюльтеру псевдогермафродіти C. remanei відклали запліднені яйця, деякі з них виявилися життєздатними! З них вивелися нормальні самки C. remanei (Не псевдогермафродіти, тому що їм ніхто не пригнічував активність гена tra-2). Це означає, що спермії у псевдогермафродіти вийшли нормальними, не вистачає тільки активують білків.
Це відкриття звузило коло потенційних генів-мішеней, на які потрібно впливати, щоб перетворити псевдогермафродіти в повноцінних гермафродитів. «Відповідним» геном виявився swm-1, який кодує білок, що пригнічує активність інших білків – протеаз, що активують спермії. Ген swm-1 відповідає за запобігання передчасної активації сперміїв у самців C. elegans, але у нього є і інші функції. Вчені знизили активність цього гена у псевдогермафродіти – і ті, до великої радості дослідників, придбали здатність до самооплодотворению.
Таким чином, для появи нового ознаки – гермафродитизму – достатньо зменшити активність двох генів, що входять в два різних регуляторних каскаду. Для цього потрібні дві мутації. Зміна активності того чи іншого гена в результаті випадкової мутації – справа найзвичайніша. Проблема в іншому: одночасне виникнення двох мутацій, корисних тільки разом, але не окремо, вкрай малоймовірно. Чи могли вони з’явитися послідовно або це рівносильно подолання прірви в два стрибки? Дослідники розглянули два можливі сценарії.

1. Спочатку відбулася мутація, зменшилась активна swm-1 у самок, що дозволяє активувати власні спермії (якщо вони є). Ця мутація спочатку була нейтральною, тому що самки ще не вміли виробляти спермії. Надалі виникла мутація, понизившая активність tra-2. Ця мутація відразу виявилася корисною (т. Е. Була підтримана відбором), бо перетворила самок в самодостатніх гермафродитів (про корисність гермафродитизму див. Нижче). Але чи могла першого мутація не принести шкоди, якщо відомо, що ген swm-1 багатофункціональний? І ось тут-то на допомогу приходить знання геномів досліджуваних черв’яків (недарма в останні роки біологи стільки сил і коштів витрачають на прочитання геномів всіляких тварюк). Виявляється, в геномах раздельнополих видів є тільки одна копія swm-1, а у гермафродитних є ще й друга, трохи відрізняється копія. Мабуть, становленню гермафродитизму сприяла дуплікація (подвоєння) цього гена, що і дозволило зняти «адаптивний конфлікт». Одна з копій змінилася, щоб забезпечити активацію сперміїв у гермафродитів, а друга продовжила виконання інших функцій [33].
2. Другий сценарій починається з мутації, що знизила активність tra-2. Це призвело до появи псевдогермафродіти. Лише після цього виникла і закріпилася мутація, що знижує активність swm-1. Однак псевдогермафродіти фактично є всього лише неповноцінними самками: до самозапліднення вони не здатні, а з роллю самок справляються гірше, ніж справжні самки. Тому на перший погляд здається, що відбір повинен був відсіяти перший мутацію. Але згадаємо, що самки C. remanei привабливі для самців інших видів, а спаровування з цими самцями дає їм можливість самооплодотворіться. Ця особливість могла стати «містком», за допомогою якого еволюціонує вид зумів подолати небезпечний проміжний етап і дочекатися виникнення другої мутації. У деяких ситуаціях псевдогермафродіти, здатні до самозапліднення після спарювання із самцями інших видів, могли мати адаптивне перевага – наприклад, коли чисельність популяції критично знижувалася.

Таким чином, при найближчому розгляді виявляється, що черв’якам не потрібно було «долати прірву в два стрибки». Там все-таки були містки.
Зміна активності гена в бік зменшення або збільшення може відбутися в результаті самих різних мутацій. Це могли бути мутації в регуляторних областях самих генів tra-2 і swm-1, або мутації генів-регуляторів, керуючих їх роботою, або мутації регуляторів регуляторів, і т. Д. Важливо, що в такій ситуації – коли виявляється вигідно зменшити або збільшити експресію будь-якого гена – ймовірність того, що випадкова мутація, яка змінює активність гена, виявиться корисною, а не шкідливою, наближається до 1/2, т. е. стає надзвичайно високою. Швидше за все, саме тому дуже багато «прогресивні» еволюційні перетворення, як тепер з’ясовується, були пов’язані зі змінами рівня активності генів, а не їх білок-кодують послідовностей. Між іншим, це відноситься і до еволюції людини (Gilad et al., 2006).
Поява нових ознак шляхом зміни активності генів – один з магістральних шляхів еволюції. Чому? Та перш за все тому, що це просто. В інструкціях щодо усунення несправностей у роботі електроприладів незмінно присутня «мудру пораду», дратівливий багатьох: перевірте, чи включена вилка в розетку. За ним криється універсальний принцип: у багатьох випадках потрібного ефекту можна домогтися, маніпулюючи тільки вимикачами і не развінчівая весь механізм.

Посилання на основну публікацію