dondua2004_biol_razv_2_text

А. К. Дондуа

БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ

( в двух томах)

ТОМ II. БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ

Санкт-Петербург

2004

© А. К. Дондуа

СОДЕРЖАНИЕ

15 ГЛАВА 15. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ ГЕНОВ

15.1. Проблема генетической идентичности дифференцированных

клеток	1
15.2. Теория дифференциальной активности генов	10
15.3. Механизмы регуляции активности генов	15
ГЛАВА 16. АВТОНОМНАЯ ДЕТЕРМИНАЦИЯ	38
16.1. Материнские факторы формирования осей зародыша	38
16.1.1. Роль материнских факторов в формировании
переднезадней оси зародышей	Дрозофилы
39
16.1.2. Роль материнских факторов в спецификация
дорсовентральной оси зародыша Дрозофилы	42
16.2. Материнские факторы детерминации клеточных линий	43
16.2.1. Ооплазматическая сегрегация и формирование
клеточных клонов у Spiralia.	46
16.2.2. Ооплазматическая сегрегация и формирование клеточных
клонов у Caenorhabditis elegans	47
16.2.3. Автономные факторы спецификации энтодермального
зачатка иглокожих и асцидий	48
16.2.4. Факторы автономной спецификации
хордомезодермы позвоночных	51
16.2.5. Факторы автономной спецификации мышечных клеток
у Асцидий	51
ГЛАВА 17. ЗАВИСИМАЯ ДЕТЕРМИНАЦИЯ
17.1. Эмбриональная индукция. История открытия.	58
17.2. Индукция и компетенция	62
17.3. Гетерогенные индукторы	64
17.4. Образование мезодермального зачатка у амфибий и рыб	65
17.5. Молекулярные механизмы, определяющие свойства
организатора. Нейрализация.	67

17.6. Антагонистическая направленность действия белков BMP и
Chordin как фактор спецификации клеток у асцидий.	72
17.7. Факторы роста фибробластов как индукционные сигналы
73
17.8. Межклеточная, или контактная индукция	74
17.8.1. Межклеточная индукция с помощью паракринных
факторов	75
17.8.2. Межклеточные взаимодействия с помощью юкстакринных
факторов	79
ГЛАВА 18. ПОЗИЦИОННАЯ ИНФОРМАЦИЯ	84
18.1. Общие представления о позиционной информации	85
18.2. Кластерные гомеобокс-содержащие гены.	95
ГЛАВА 19. КЛЕТОЧНАЯ АДГЕЗИЯ И ПРОЦЕССЫ МОРФОГЕНЕЗА	101
ГЛАВА 20. АПОПТОЗ КАК ФАКТОР МОРФОГЕНЕЗА	113
ГЛАВА 21. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОГРАММЫ РАЗВИТИЯ	116
21.1. Сегментация тела дрозофилы.	117
21.2. Морфогенез конечности у позвоночных	122
21.3. Становление лево-правой асимметрии.	131
21.4. Развитие глаза у позвоночных	133
ГЛАВА 22. РЕГЕНЕРАЦИЯ	138
22.1. Введение: история открытия и основные понятия	138
22.2. Регенерация у Стрекающих	142
22.3. Регенерация у Планарий.	145
22.4. Регенерация конечности позвоночных	146
22.5. Роль нервной системы в процессах регенерации	154
ГЛАВА 23. ДЕТЕРМИНАЦИЯ ПОЛА	161

23.1.Механизмы определения пола у насекомых

167

23.2.Молекулярно-генетические аспекты детерминации пола у

нематоды Caenorhabditis elegans.	175
23.3. Молекулярно-генетические аспекты детерминации
пола у млекопитающих.	179
23.4. Разнообразие форм детерминации пола у

многоклеточных животных.	185
ГЛАВА 24. ЭВОЛЮЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ	191
24.1. Кооптация генов как фактор эволюции многоклеточных
животных.	195

24.2.Эволюция генных сетей путем кооптации. Модель Дэвидсона. 198

24.3.Ретроградное формирование регуляторных путей. Модель

Уилкинса.	200
24.4. Эволюция онтогенеза и филогения животных	201
УКАЗАТЕЛЬ ОБЪЕКТОВ	211
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Глава 19. Клеточная адгезия и процессы морфогенезаГлава 20. Апоптоз как фактор морфогенеза.Глава 21. Генетические программы развития.

21.1. Сегментация тела у насекомых21.2. Морфогенез конечности у позвоночных21.3. Становление лево-правой асимметрия.21.4. Развитие глаза у позвоночных,

Глава 22. Регенерация.Глава 23 Детерминация пола.

Глава 24. Эволюционная биология развития

ГЛАВА 24. ЭВОЛЮЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ.

Содержание предыдущих глав дает обширный материал, который свидетельствует о том, что эмбриогенез животных, с его сложным переплетением процессов роста, клеточной дифференциации и формообразования, контролируется и направляется разветвленными генетическими, по-видимому, самонастраивающимися системами. Ни один формообразовательный процесс невозможен вне рамок этих систем.

Для того, чтобы в ходе исторического развития живой природы произошла эволюция структур и их функций, чтобы образовались новые виды или более крупные систематические группы, должны произойти изменения в генетической системе управления онтогенезом анцестральной формы. Эти изменения сохранятся в ряду поколений лишь в том случае, если новые системные связи механизмов развития и новые структурные образования докажут свою жизнеспособность под жестким контролем естественного отбора. Еще в 1970-х годах Роем Бриттеном и Эриком Дэвидсоном (1971) было высказано представление о том, что эволюция онтогенеза во многом является отражением эволюции транскрипционных регуляторных систем. Эволюция форм возможна только при условии эволюции механизмов, определяющих становление этих форм в онтогенезе. Другими словами, в основе эволюции Metazoa лежит эволюция генетических систем, контролирующих их индивидуальное развитие.

Конечно, отношения между эволюцией биологии развития и видообразованием имеют более сложный характер, и видообразование происходит, очевидно, по своим законам. Достаточно вспомнить виды-двойники, которые, не имея заметных морфологических различий, тем не менее, являются нескрещивающимися "хорошими" видами. С другой стороны, еще Ч. Дарвин отмечал, что в пределах одного вида, например, у собак или голубей, иногда возникают морфологические различия, которые по своим масштабам превышают иные межвидовые. Тем не менее, можно утверждать, что эволюция механизмов индивидуального развития является главной причиной возникновения огромного разнообразия форм животных.

191

Среди некоторой части морфологов бытует мнение, что при построении филогенетических систем эволюционная морфология имеет некие преимущества перед другими дисциплинами, и что выводы, вытекающие из исследования возможных путей изменения структур, более весомы, чем

выводы, основанные на анализе изменения геномов. Противопоставлять
генетике эволюционную морфологию, наделяя ее	какими-то особыми
преимуществами в понимании процессов филогении,	принципиально неверно.

Природа едина. Только в нашем сознании --- для удобства анализа ---

многоуровневые по своей сути явления можно подразделить на анатомические, цитологические и молекулярные составляющие. Решение такого рода проблем возможно при кооперации разных направлений исследований. Необходим синтез аналитических данных об эволюции на всех уровнях организации живого, т. е. необходима эволюционная биология развития.

В ходе эволюции животных происходит как видоизменение, так и возникновение новых генов. Образование новых генов обусловлено различными перестройками генетического материала и, прежде всего, дупликацией генов, которая создает предпосылки для их последующего расхождения, или диверсификации. Определенную роль в новообразовании генов играет также слияние генов и обособление их частей.

Диверсификация генов происходит благодаря генетическим изменениям, происходящим спонтанно или в ходе рекомбинации, а также под действием радиации, химических агентов, и других факторов. Могут возникать точечные мутации, в ходе которых происходит перестановка оснований, или инверсия (от лат. inverto --- переворачивать), либо выпадение отдельных нуклеотидов, или делеция (от лат. deleo --- разрушать). Известны и точечные инсерции (от лат. insero --- вкладывать), или вставки. Подобные изменения могут затрагивать и более значительные участки ДНК.

Генетические изменения разного масштаба происходят как в кодирующих областях гена, что ведет к образованию белков с видоизмененным аминокислотным составом, так и в некодирующих областях, в том числе в цис-

192

контролирующих участках гена. На уровне клеточных функций мутации видоизменяют свойства транскрипционных факторов, элементов механизмов сигналинга, ферментов и др.

В результате дупликации и диверсификации последовательностей ДНК в процессе эволюции возникают целые семейства и даже сверхсемейства генов. Изменение нуклеотидных последовательностей генов и соответствующее изменение аминокислотного состава кодируемых ими белков служит причиной того, что гены данного семейства в ходе эволюции приобретают новые функции. Формирование семейств генов в течение длительной эволюции животных и сопровождает, и участвует в эволюции индивидуального развития

(Wilkins, 2002).

На рис. 24-1 представлено эволюционное древо T-box (Tbx) генов. Впервые представитель этого семейства ген Brachiury был описан у мыши, у которой гетерозиготная мутация данного гена вызывает образование короткохвостых животных, а гомозиготная является летальной. Как известно, ген Brachiury необходим для образования мезодермы в задней области тела. Tbx гены кодируют транскрипционные факторы. Связывающая ДНК область этих транскрипционных факторов состоит из 180 - 190 аминокислот. Консервативность связывающего домена обусловлена консервативностью соответствующей области гена (Т-бокса), который насчитывает 540 - 570 пар оснований.

Как следует из рис.24-1, в составе семейства насчитывается несколько подсемейств, образование которых является следствием дупликации анцестрального гена. Представители разных подсемейств часто выполняют различные функции. В отличие, например, от гена Т, ответственного за развитие мезодермы в задней области тела, гены tbx4 и tbx5 участвуют в развитии конечности.

Ведущую роль в эволюции многоклеточных животных играет видоизменение связей между генами, обеспечивающими индивидуальное развитие. Изменения, происшедшие в цис-регуляторной системе гена, могут вызвать переподчинение

193

данного гена регулятору, который ранее был индифферентен по отношению к данному гену предковой формы. Таким образом, изменения на уровне ДНК цис- регуляторных систем, создавая новые паттерны транскрипции генов в развивающемся организме, способны вызвать новообразования, радикально затрагивающие план строения животного.

Генетические программы развития подразделяются на ряд последовательных этапов. Завершающие этапы этих программ представлены батареями генов тканеспецифической терминальной дифференциации. Если возникает изменение связей в этом звене, т. е. на уровне взаимодействия регулятора с контролируемой батареей, происходят какие-то небольшие изменения морфологии, которые не нарушат общего плана строения тела животного. Если изменение затронет более ранние этапы реализации программ развития, следует ожидать более глубоких перемен. Действительно, если у предковой формы изменение затронет цис-регуляторную систему гена, которая детерминирует место и время его экспрессии, то могут возникнуть такие новообразования, которые существенно видоизменят строение тела животного (Davidson, 2001). Это обстоятельство, по-видимому, нашло свое отражение в представлении А.Н. Северцова о филэмбриогенезах (гл.12). Согласно Северцову, закрепившиеся в филогенезе изменения ранних этапов онтогенеза, или архаллаксисы, вызывают коренную перестройку онтогенеза, и ведут к появлению радикально измененных форм, тогда как изменения, происходящие на поздних этапах, или анаболии, не связаны с реорганизацией плана строения тела.

Эволюционные процессы, в ходе которых регуляторные гены привлекаются к исполнению новых функций при формировании паттерна, называют

кооптацией (англ. --- cooption) или вовлечением (англ. --- recruitment). Именно благодаря процессам вовлечения системы управления обнаруживают завораживающую консервативность, в результате которой гомологичные системы генов контролируют развитие негомологичных образований, как это происходит, например, при развитии конечностей насекомых и позвоночных, фасеточных глаз Дрозофилы и глаз млекопитающих.

194

Для вовлечения генов в новые регуляторные связи особенно важны два типа генетических изменений: мутации в области энхансеров и расширение генетического ресурса за счет дупликации генов и их регуляторных зон.

Мутации энхансеров, видоизменяющие транскрипцию гена за счет приобретения или утраты энхансером способности взаимодействовать с определенными транскрипционными факторами, часто лежат в основе явления кооптации. На рис. 24-2 представлен гипотетический случай кооптации, когда, благодаря мутации энхансера гена PaxX, транскрипционный фактор Hox R приобретает возможность взаимодействовать с этим энхансером и включать экспрессию гена PaxX в тех областях, и в те моменты, где и когда синтезируется

Hox R.

Множественные повторы участков хромосомы --- дупликации или мультипликации --- обычно возникают в результате неравного кроссинговера. Благодаря дупликации возникает своеобразный резерв генетического материала, который может быть использован для эволюции. В результате мутации энхансера одна из копий дуплицированного гена может быть вовлечена в новые регуляторные связи, отсутствовавшие у предковой формы (рис. 24-3 А-Г). После такой кооптации возможно дальнейшее изменение связей между генами за счет параллельной эволюции, или коэволюции транскрипционного фактора и энхансера (рис. 24-3 Д)

24.1. Кооптация генов как фактор эволюции многоклеточных животных.

Эволюционное значение кооптации генов детально проанализировано Э. Дэвидсоном (Davidson, 2001). Дэвидсон отмечает, что кооптация регуляторных генов, участвующих в образовании паттерна развития, бывает двух типов. Вопервых, регуляторный ген может приобрести новый сайт-мишень генов, которые он не контролировал у анцестральной формы. В результате этот регуляторный ген приобретает возможность контролировать новые процессы. Во-вторых, в результате мутации собственного энхансера он сам может подпасть под контроль новых факторов, которые инициируют его экспрессию в той области развивающегося животного, где у анцестральной формы он ранее

195