Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

• Название: Эмбрионы, гены и эволюция
• Автор: Рудольф Рэфф
• Издательство: Мир
• Жанр: Педагогика
• Год: 1986

В книге американских авторов излагаются факты и идеи о связи генетики, эмбриологии и эволюции. Основное внимание уделено представлению о том, что эволюция идет по преимуществу путем отбора значительных перестроек морфологии, обусловленных мутациями регуляторных генов.

Для специалистов по молекулярной биологии, эмбриологов, генетиков, эволюционистов, для студентов и преподавателей биологических факультетов.

---

Значение млечной железы состоит в том, что это относительно новый орган, возникший при переходе от звероподобных рептилий к истинным млекопитающим. Обладание млечными железами повысило эффективность размножения млекопитающих и через связь между матерью и детенышем положило начало ряду изменений поведения, которые могли внести определенный вклад в прогрессивное развитие мозга млекопитающих. Наиболее вероятными предшественниками млечных желез были потовые или другие кожные железы. Охлаждение путем испарения, осуществляемое благодаря потовым железам, было, возможно, одной из ранних адаптации в группе животных, у которых начала развиваться гомойотермия и изощренные механизмы терморегуляции. Как полагал Чедвик (Chadwick), предки млекопитающих были мелкими животными, и вполне возможно, что их детенышам в первые несколько дней жизни грозило обезвоживание. Потовые железы могли достигнуть особенно сильного развития у насиживавших яйца звероподобных рептилий как способ снабжения детенышей водой и минеральными веществами.

Морфогенез млечной железы у трех современных подклассов млекопитающих, которому посвящен обзор Рейно (Raynaud), отражает последовательные стадии возрастания сложности этой железы в процессе эволюции. У однопроходных, или яйцекладущих, млекопитающих нет четко выраженного соска; примерно 100 трубчатых желез просто открываются на брюшной поверхности, по обе стороны от средней линии. У отверстия каждой железы имеется жесткий волос. Секрет железы стекает по этому волосу, а детеныш слизывает его. У сумчатых предшественники млечной железы дифференцируются, образуя почки трех типов. Эти почки в свою очередь дают начало связанным с млечными железами волоскам (mammary hairs) или же млечным или сальным железам. У сумчатых такие волоски - временные образования, а у плацентарных млекопитающих зачатки млечных желез уже не связаны ни с зачатками волос, ни с зачатками сальных желез.

Как уже было сказано в гл. 5, морфогенез основной моноподиальной млечной железы индуцируется в покровном эпителии мезенхимой млечной железы. Для самого главного изменения в характере организменной интеграции необходимо было установление связи между регуляцией морфогенеза млечных желез и гормонами, стимулирующими пролиферацию железистых элементов в период полового созревания и беременности. Пролиферация на этих стадиях онтогенеза требует репликации основных компонентов железы. Эволюционные изменения в структурах млечных желез повлекли за собой концентрирование железистых элементов в дискретные агрегаты, соединенные с соском. Как и при всех эволюционных изменениях морфологии, изменения происходили в генетических системах, контролирующих морфогенез кожных желез, от которых произошли млечные железы. Однако мы выбрали для обсуждения этот пример именно потому, что в эволюции млечных желез столь большую роль явно сыграли изменения в тканевой интеграции и в эволюции структурных генов.

Описания развития млечных желез, подобные сделанным Форсайтом и Хайденом (Forsyth, Hayden), показывают, что для начальных стадий индукции и развития этих желез гормоны не нужны; однако на стадии перехода от юного возраста к зрелости необходима группа гормонов: эстроген, гормон роста и стероидные гормоны надпочечников. Для интенсивной пролиферации протоков и альвеол во время беременности необходимы несколько гормонов, в частности эстроген, прогестерон и пролактин. На поверхностях клеток млечных желез имеются мембранные рецепторы для этих гормонов. Очевидно, дифференцировка и функционирование ткани этих желез происходят в ответ на сигналы, которые, согласно модели Бриттена и Дэвидсона, должны взаимодействовать с сенсорными элементами.

Несмотря на давность этих событий, связь между пролактином и эволюцией млечных желез можно вполне представить в свете данных Берна (Bern), Дента (Dent) и Найкола (Nycoll) о разнообразии ролей, исполняемых пролактином. Пролактин - это белковый гормон, родственный по аминокислотной последовательности гормону роста, от которого, как полагает Найалл (Niall), он, вероятно, дивергировал после генной дупликации, возникшей на ранних стадиях эволюционной истории позвоночных. В отличие от большинства других гормонов роль пролактина у первых позвоночных не была ограничена выполнением какого-то определенного набора специализированных функций. Напротив, он сохранил способность участвовать в разнообразных процессах. У представителей всех классов позвоночных пролактин принимает большое участие в осморегуляции и оказывает существенное влияние на дифференцировку эпителиальных структур, связанных с размножением. У рыбы дискус (Symphysodon discus) пролактин стимулирует секрецию кожей слизи, которой питаются мальки; развитие брачных мозолей у самцов лягушек, развитие наседного пятна у птиц во время насиживания яиц и лактацию у самок млекопитающих. Возможно, что пролактин участвует в регуляции накачивания ионов в млечные железы. У млекопитающих пролактин стимулирует активность сальных желез, однако на потовые железы он, по-видимому, не влияет.

Если млечные железы возникли из потовых желез, что представляется вероятным, то их регуляция пролактином и другими гормонами установилась в процессе эволюции новой тканевой интегрирующей системы. Такое предположение разумно, поскольку предковая млечная железа должна была быть гормонально связана с регуляцией репродуктивных функций, тогда как у ее эволюционных предшественников такой необходимости не было.

По механизму своего действия пролактин, по-видимому, функционирует как сигнал, вызывающий активность специализированной батареи генов в млечной железе. Согласно Розену (Rosen), сделавшему обзор новейших исследований, проводившихся в его собственной и других лабораториях, пролактин, взаимодействуя с клетками млечных желез, повышает количество мРНК, кодирующих белки молока. В период лактации казеиновая и α-лактальбуминовая мРНК составляют свыше 80% всей мРНК этих клеток. Используя специальные пробы клонированной ДНК, Розен и его сотрудники установили, что содержание казеиновой мРНК у лактирующих крыс увеличено в 300 раз по сравнению с очень низким ее уровнем в млечных железах девственных животных. Нихаси и Казба (Nakhasi, Qasba) обнаружили тот же эффект для α-лактальбуминовой мРНК. Пролактин вызывает как повышение скорости транскрипции, так и понижение скорости распада этой мРНК.

В эволюционной интеграции новой батареи генов, определяющих специализированную цитодифференцировку млечных желез, участвуют два процесса. Это, во-первых, установление связи с гормональной регуляцией, с тем чтобы секреторная активность предковой железы была согласована с размножением. Первоначальная батарея активируемых таким образом структурных генов состояла из генов, типичных для желез, которые служили эволюционными предшественниками млечных желез. Клеточные механизмы секреции в млечных железах, описанные Мефемом (Mepham), сходны с механизмами других секреторных клеток и, по всей вероятности, существовали в предковой железе. Таким образом, новая регуляторная система, действующая на подмножество эпидермальных желез, могла захватить уже существующую батарею генов и использовать ее. Эволюция подлинной млечной железы, возможно, потребовала в дальнейшем эволюционной интеграции специализированных структурных генов для достижения секреции оптимального питательного вещества. Новые члены батареи генов млечной железы могли возникнуть двумя путями: путем мобилизации предсуществующих генов и путем эволюции новых генов.

Интеграция предсуществующих структурных генов в батарею может быть достигнута при помощи новой активной в цис-положении регуляторной последовательности, помещенной рядом со структурным геном. Как это четко указал Диккинсон (Dickinson), модификация активных в цис-положении регуляторных элементов могла создать возможность для эволюционных изменений в программе экспрессии отдельных генов, не нарушая программы развития в целом. Появление нового активного в цис-положении регуляторного элемента могло быть результатом точковых мутаций в предсуществовавшем регуляторном элементе, активном в цис-положении; возможно, однако, что более быстрые изменения происходили с помощью совершенно иного механизма - транспозиции соответствующих предсуществующих регуляторных элементов из других мест генома. Эукариотические клетки содержат подвижные элементы, способные стабильно включаться в геном. Эчолс (Echols) высказал мнение, что система репрессии, поддерживающая эту стабильную интеграцию, при некоторых стрессах может быть преодолена. Один особенно интересный случай наблюдается у Drosophila melanogaster. При скрещивании некоторых выловленных в природе мух с линиями, долгое время содержавшимися в лаборатории, наблюдается высокая частота мутагенеза, кажущегося спонтанным. Этот гибридный дисгенез возникает в результате усиления подвижности прежде стабильно интегрированных подвижных элементов. Эчолс представил себе аналогичную индукцию новых генотипов в таких условиях среды, к которым популяция плохо приспособлена. Его предположения о быстрой эволюции регуляторных систем подтверждаются наблюдениями Диккинсона, что в тканях близкородственных видов гавайских Drosophilidae гомологичные структурные гены, кодирующие алкогольдегидрогеназу и альдегидоксидазу регулируются на резко различных уровнях. Использование клонированных проб на эти гены дало бы возможность провести непосредственную экспериментальную проверку предположения о том, что эти изменения возникли в результате перестановки регуляторных элементов, активных в цис-положении.