Эмбрионы, гены и эволюция

Все это имеет глубокие последствия для эволюции. В онтогенезе принимают участие многочисленные гены, экспрессирующиеся в целом комплексе очень стабильных процессов. У дрозофилы примерно треть общего числа генов, поддающихся выявлению, экспрессируется специфичным для развития образом и необходима для успешного завершения определенных стадий развития. Тем не менее число переключателей невелико и изменения в переключаемых функциях могут оказывать глубокое влияние на морфогенез. Важно отметить, однако, что эволюция - процесс многоступенчатый. Главное значение изменений генов, несущих регуляторные функции, состоит, возможно, в создании изменений онтогенеза, которые затем служат сырьем для дальнейших изменений в каком-либо новом направлении. Дальнейшее изменение и консолидация этого нового направления происходят путем возникновения мутаций в генах, модифицирующих главный регуляторный ген. В процессе всех этих эволюционных переходных стадий морфогенеза могут сохраняться канализация и интеграция.

Интеграция

В своем анализе переворотов в науке Томас Кун (Thomas Kuhn) высказал мнение, что главная отличительная черта этих переворотов - изменение взгляда на мир, или то, что Кун называл парадигмой. Наблюдения, которые прежде было трудно истолковать, укладываются теперь в рамки связной теории, способной делать предсказания и давать объяснения. Биология пережила свою долю переворотов, в том числе тот из них, который вызвала дарвиновская теория эволюции, оказавшая в разных формах самое глубокое влияние не только на биологию, но и на общество в широком смысле. Один из крупных недавних переворотов произошел в 1961 г., когда Франсуа Жакоб и Жак Моно (Francois Jacob, Jaques Monod) опубликовали свою модель оперона, контролирующего экспрессию генов у бактерий. Эта модель позволила связать экспрессию структурных генов с контролирующей активностью некоего белка, кодируемого регуляторным геном, локализованным в каком-то другом участке генома; она позволила также объяснить, каким образом проникающие в клетку малые молекулы могут взаимодействовать с регуляторным белком, координируя экспрессию структурных генов, участвующих в отдельных метаболических процессах. Модель оперона положила начало периоду увлекательных и плодотворных исследований генной регуляции у бактерий. Не удивительно, что успешность предсказаний, сделанных с помощью этой модели, и ее огромная эвристическая ценность неизбежно привели к ее приложению к организации геномов Metazoa. После того как геномы Metazoa были лучше изучены, первоначальные оптимистические попытки непосредственного приложения к ним модели оперона пришлось признать наивными. Тем не менее от этих попыток осталось некое наследство в виде концепции о регуляции экспрессии структурного гена продуктами удаленных от него регуляторных элементов, которые взаимодействуют с регуляторным сайтом, примыкающим к этому структурному гену. Как и у прокариот, генная регуляция у Metazoa в значительной мере состоит, по-видимому, в регуляции структурных генов, необходимых для дифференцировки, поддержания существования и метаболизма клеток. В отличие от прокариот Metazoa образуют клетки многих разных типов, организованные в различные дискретные и стабильные ткани. Для регуляции экспрессии структурных генов в этих разных клетках или тканях необходима координированная экспрессия набора генов, специфичных для клеток каждого типа, а также экспрессия более обширного набора генов, активных в клетках многих или даже всех типов. Широко известная модель для такого рода цитоспецифичной координации регуляции генных комплексов была предложена Бриттеном и Дэвидсоном (Britten, Davidson) в 1969 г.; она схематически изображена на рис. 12-2. Интеграция обеспечивается в результате активации сенсорных последовательностей, реагирующих на воздействия извне, которым подвергается клетка (например, гормоны или индукционные сигналы от соседних клеток). Эти последовательности в свою очередь активируют особые гены-интеграторы, каждый из которых продуцирует молекулы специфичного активатора. Активаторы в свою очередь вступают во взаимодействие с соответствующими регуляторными последовательностями, примыкающими к структурным генам, и включают их, допуская их транскрипцию. Бриттен и Дэвидсон полагают, что активаторы - это транскрипторы умеренно повторяющихся последовательностей ДНК и что они непосредственно взаимодействуют, благодаря своей комплементарности с соответствующими повторяющимися последовательностями, действующими как примыкающие к генам контролирующие элементы. Очевидно, в этой формальной модели активаторами могут служить и белки.