Текст книги "Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий"

Автор книги: Александр Марков

Соавторы: Елена Наймарк
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 37 страниц) [доступный отрывок для чтения: 16 страниц]

КактусLophocereus schottii и мухаDrosophila pachea , которая не может без него жить.

Исследование показало, что для развития узкой экологической специализации, а также для появления нового структурного компонента экосистемы – неразрывной связи мухи с кактусом – достаточно изменения одного-единственного белка.

В какой момент появилось нечто новое – новый специализированный вид, новая экологическая связь? Может быть, это произошло, когда муха-прародительница случайно отложила яйца на кактус, а личинки ухитрились выжить и запомнили запах родного растения? Или когда у более поздних прародителей зарепилась первая мутация, затруднившая синтез 7DHC из холестерола? Вряд ли на такой вопрос можно дать однозначный ответ. Новое зарождается исподволь, из цепочки крошечных, пустяковых изменений. Так же и в человеческих делах – трудно отследить момент, когда и как появляется изобретение: может, тогда, когда в случайном разговоре мелькнула нужная фраза, или в окне соседнего дома ученый увидел намек на нужную форму, или приятель подсказал хорошую идею совсем из другой области… и вот уже ученый вовсю работает, улучшает, подлаживает, ищет лучшие решения для воплощения идеи во всей своей красе.

Изменения регуляции генов

Не всякое новшество требует изменений белок-кодирующих участков ДНК. В основе многих эволюционных преобразований лежат мутации регуляторных некодирующих участков, от которых зависит, где, когда, при каких условиях и с какой интенсивностью будет работать близлежащий ген. Изучать такие эволюционные изменения технически намного труднее, но и на этом фронте биологи в последние годы добились важных успехов.

ЗАГАДКА УЗОРЧАТЫХ КРЫЛЬЕВ.

Плодовые мушки рода Drosophila– идеальный объект для изучения эволюции сложных признаков. В этой группе перемешаны не только узкие и широкие экологические специалисты, но и виды с разнообразными морфологическими признаками. Причем характер родственных связей между видами установлен вполне надежно (т. е. известно, кто от кого и когда произошел), и можно проследить, как в ряду потомков видоизменялся тот или иной сложный признак.

Например, у D. guttiferaна крыльях имеется замысловатый узор, которого нет у других дрозофил. Узор состоит из 16 черных пятен, расположенных в строго определенных местах на продольных жилках и в точках соединения продольных жилок с поперечными, и нескольких серых «теней» между жилками. У родственников D. guttiferaкрылья либо вовсе не окрашены, либо имеют гораздо более простой орнамент. Очевидно, сложная окраска крыльев D. guttifera– недавнее эволюционное приобретение.

Шон Кэрролл, американский генетик и автор превосходных научно-популярных книг, и его коллеги из Висконсинского университета решили выяснить, какие генетические изменения ответственны за появление у D. guttiferaзатейливого орнамента на крыльях. Ранее эта исследовательская группа установила, что независимое появление простых темных пятен на крыльях у разных видов дрозофил связано с изменениями регуляторных участков гена yellow, который управляет синтезом пигмента меланина и отвечает за пигментацию разных частей тела. Об этом исследовании рассказано в книге «Рождение сложности» ( Марков, 2010. С. 344).

Выяснилось, что на стадии куколки yellowработает как раз в тех участках крыла, где впоследствии появятся темные пятна. Следовательно, у этого вида, как и у других дрозофил, формирование пятен идет под управлением yellow. Однако у D. guttiferaраспределение областей экспрессии yellowпо крылу отличается особой сложностью.

Нужно было понять, что заставляет yellowработать в одних частях крыла и не работать в других. Зная, что узоры на крыльях дрозофил зависят от некодирующих регуляторных участков yellow, авторы принялись искать эти участки [68]68
  Речь идет о поиске сайтов связывания транскрипционных факторов– коротких участков ДНК в окрестностях белок-кодирующего гена, к которым прикрепляются специальные белки-регуляторы (транскрипционные факторы), влияющие на экспрессию гена. Найти эти сайты технически очень трудно, в частности потому, что их «смысл» зависит не только от последовательности нуклеотидов в самом сайте, но и от нуклеотидного окружения («контекста»).


[Закрыть]. Они отсеквенировали фрагмент генома D. guttiferaдлиной в 42 тыс. пар нуклеотидов, включающий ген yellowи его окрестности. Затем они подразделили некодирующие области на 28 перекрывающихся кусочков и стали изучать их свойства при помощи генно-инженерных экспериментов. Каждый кусочек по очереди присоединяли к гену зеленого флуоресцирующего белка (GFP) и вставляли эту конструкцию в геном D. guttifera, а затем смотрели, где будет вырабатываться GFP Таким непростым способом удалось выявить регуляторный участок длиной в 277 пар нуклеотидов, который заставляет присоединенный к нему ген включаться как раз в тех 16 точках развивающегося крыла, где у диких мух D. guttiferaвключается ген yellowи формируются пятна на жилках. Этот регуляторный участок находится на расстоянии около 5 тыс. пар нуклеотидов перед началом кодирующей части yellow. Таким образом, один-единственный регуляторный элемент контролирует формирование всех 16 пятен.

Тем же способом был выявлен еще один регуляторный участок, который отвечает за серые «тени» между жилками. Этот участок длиной в 414 пар нуклеотидов расположен в первом интроне гена yellow. Если присоединить его к гену светящегося белка и вставить в геном D. guttifera, у куколки начинают светиться те участки крыла, где должны быть «тени».

Следовательно, всего лишь два регуляторных элемента определяют все распределение областей экспрессии yellowпо крыловой пластинке (хотя в принципе каждое пятнышко могло бы определяться своим собственным регуляторным элементом). Первый из обнаруженных элементов авторы назвали vs( vein spot– «пятна на жилках»), второй – iv( intervein shade– «тени между жилками»). Эти элементы действуют как переключатели. Первый из них срабатывает там, где должны сформироваться пятна, второй – в местах образования будущих «теней».

Таким образом, «нижняя» часть регуляторного каскада была в общих чертах расшифрована. Распределение пятен по крылу определяется элементами vsи iv. Срабатывание переключателей vsи ivактивирует ген yellow. Ген yellowвключает синтез меланина. Синтез меланина приводит к формированию пятна на крыле.

Этого уже было бы достаточно для хорошей статьи. Но авторы не остановились на достигнутом и продвинулись еще на один шаг вверх по регуляторному каскаду. Им удалось выяснить, на какой сигнал реагирует переключатель vs– что заставляет его включаться в нужном месте и в нужное время.

Не имея никаких подсказок, подступиться к такой задаче непросто, ведь в принципе присоединяться к элементу vs, запуская экспрессию yellow, мог бы любой из многих сотен регуляторных белков (транскрипционных факторов), а на работу этого неизвестного белка наверняка влияют еще какие-то факторы. Авторы, однако, добыли подсказку, изучая отклонения от нормального хода развития в лабораторной популяции мух D. guttifera. Они заметили, что пятна жестко привязаны к определенным опорным точкам на крыловой пластинке. Такими опорными точками являются поперечные жилки и места их соединения с продольными жилками, окончания продольных жилок, а также колоколовидные сенсиллы – рецепторы, расположенные на продольных жилках. Если у мутантной мухи на крыле появляется новая сенсилла или новое место соединения жилок, это всегда приводит к формированию нового пятна. Если, наоборот, сенсилла теряется, то исчезает и соответствующее пятно.

Следовательно, сложный рисунок на крыльях связан с предшествующей «разметкой» крыловой пластины, которая определяет ее структуру. Это позволило сузить круг поиска. Генетическая разметка развивающегося эмбриона или куколки осуществляется небольшим набором генов – ключевых регуляторов развития. Возможно, какой-то из них взаимодействует – прямо или опосредованно – с переключателем vs.

Чтобы найти искомый ген, авторы пересадили элемент vs, присоединенный к гену GFP, в геном мухи D. melanogaster– классического лабораторного объекта, чья генетика развития изучена гораздо лучше, чем у D. guttifera. Оказалось, что у D. melanogasterэлемент vsсрабатывает у основания крыла и на поперечных жилках, но не работает вблизи колоколовидных сенсилл. Точно так же распределены у этого вида и области экспрессии гена wingless– одного из важнейших регуляторов индивидуального развития. На ранних этапах онтогенеза членистоногих winglessучаствует в глобальной разметке туловища, формировании конечностей, определяет границы сегментов. На поздних стадиях развития куколки winglessзанят менее грандиозными проектами, участвуя в том числе в оформлении некоторых деталей строения крыльев.

Пересаженный от D. guttiferaэлемент vsсработал в крыле куколки D. melanogasterровно в тех местах, где активен ген wingless. Это делает winglessхорошим кандидатом на роль «входного сигнала», активирующего vsи включающего yellow. Авторы проверили, как распределены области экспрессии winglessв крыле D. guttifera, и убедились, что все сходится: у вида с пятнистыми крыльями winglessна стадии куколки работает как раз в тех участках крыла, где позже формируются пятна.

Чтобы окончательно убедиться в том, что активность winglessявляется достаточным условием для появления пятен у D. guttifera, авторы провели еще одну серию генно-инженерных экспериментов. На этот раз в эмбрионы D. guttiferaвпрыскивали ген wingless, взятый у D. melanogasterи соединенный с регуляторным участком, заимствованным у дрожжей. Смысл заключался в том, чтобы получить трансгенных мух D. guttifera, у которых области экспрессии winglessв крыльях были бы расположены как-то иначе. В конце концов такие мухи были получены: у них возникла новая область экспрессии winglessвдоль одной из продольных жилок. В полном соответствии с теоретическими ожиданиями у этих мух появилась и новая темная полоса на крыльях, идущая вдоль этой жилки.

Авторы также проанализировали пигментацию крыльев, экспрессию winglessи наличие или отсутствие регуляторного элемента vsу других видов дрозофил. В итоге удалось восстановить ход эволюции узора на крыльях.

Слева – эволюционное дерево, показывающее родственные отношения между видами дрозофил с различными узорами на крыльях. Самый сложный орнамент – уD. guttifera . Справа – схема эволюции узора. ИзWerner et al., 2010 .

Исходно у дрозофил ген winglessэкспрессировался вдоль поперечных жилок, но не работал у концов продольных жилок и в колоколовидных сенсиллах. В гене yellowне было регуляторного элемента vs, способного реагировать на wingless, а крылья не имели орнамента. Это исходное состояние сохранилось у D. melanogaster. Затем в одной из групп дрозофил появился элемент vs, что привело к формированию связи между экспрессией winglessи пятнами на крыльях [69]69
  Регуляторные элементы, подобные vs, могут иметь достаточно простое строение, обычно это некий расплывчатый, нестрогий нуклеотидный «мотив». Такие простые мотивы время от времени могут возникать в результате мутаций «из ничего», т. е. из случайных последовательностей нуклеотидов в нефункциональных (и потому не контролируемых очищающим отбором) участках ДНК. Впрочем, чаще они, по-видимому, возникают в результате дупликаций и транслокаций (перемещений) уже имеющихся регуляторов. Деятельность мобильных генетических элементов (о которых мы рассказывали в «Рождении сложности») резко повышает вероятность таких событий.


[Закрыть]. Первые темные пятна поэтому появились там, где исходно экспрессировался wingless, – вдоль поперечных жилок.

После того как пигментация стала зависеть от wingless, у эволюции появилась возможность создавать новые узоры, меняя экспрессию этого гена. Ген winglessимеет сложную и пока еще слабо изученную систему регуляции, но в целом его работа ориентируется на базовую разметку и ключевые «опорные точки» развивающегося организма. Эта привязанность winglessк опорным точкам сохранилась и в ходе дальнейших изменений его экспрессии в крыльях. У некоторых видов возникли новые области экспрессии winglessна концах продольных жилок, и там появились пятна. Только у одного вида – D. guttifera– орнамент крыльев усложнился еще сильнее за счет появления дополнительных областей экспрессии winglessв шести колоколовидных сенсиллах.

Получается, что замысловатый орнамент крыльев D. guttiferaразвился на основе существовавшего ранее плана строения крыла. Возможно, примерно таким же образом, отталкиваясь от опорных точек морфогенетической разметки крыла, сформировались узоры на крыльях и у других насекомых, включая бабочек. Но, чтобы это доказать, придется еще немало потрудиться.

Здесь мы видим, как изменение двух регуляторных участков одного гена (гена yellow) привело к формированию сложного признака. Изменение это было таково, что направило уже существующий регуляторный каскад по новому маршруту: старые персонажи в новой пьесе.

–

Как трехкамерное сердце стало четырехкамерным

Выход позвоночных на сушу был связан с развитием легочного дыхания, что потребовало радикальной перестройки кровеносной системы. У дышащих жабрами рыб один круг кровообращения, а сердце, соответственно, двухкамерное (состоит из одного предсердия и одного желудочка). У наземных позвоночных – трех– или четырехкамерное сердце и два круга кровообращения. Один из них (малый) прогоняет кровь через легкие, где она насыщается кислородом. Затем кровь возвращается к сердцу и попадает в левое предсердие. Большой круг направляет обогащенную кислородом (артериальную) кровь ко всем прочим органам, где она отдает кислород и по венам возвращается к сердцу, попадая в правое предсердие.

У животных с трехкамерным сердцем кровь из обоих предсердий попадает в единый желудочек, откуда она затем направляется и к легким, и ко всем прочим органам. При этом артериальная кровь смешивается с венозной. У животных с четырехкамерным сердцем в ходе развития изначально единый желудочек подразделяется перегородкой на левую и правую половины. В результате два круга кровообращения оказываются полностью разделены: бедная кислородом кровь попадает из правого предсердия в правый желудочек и идет оттуда к легким, насыщенная кислородом – из левого предсердия только в левый желудочек и идет оттуда ко всем прочим органам.

Формирование четырехкамерного сердца было необходимой предпосылкой развития теплокровности у млекопитающих и птиц. Ткани теплокровных потребляют очень много кислорода, поэтому им необходима «чистая» артериальная кровь, максимально насыщенная кислородом. А смешанной артериально-венозной кровью могут довольствоваться холоднокровные позвоночные с трехкамерным сердцем. Трехкамерное сердце характерно для амфибий и большинства рептилий, хотя у последних намечается частичное разделение желудочка на две части (развивается неполная внутри-желудочковая перегородка). Настоящее четырехкамерное сердце развилось независимо в трех эволюционных линиях: у крокодилов, птиц и млекопитающих. Это яркий пример параллельной эволюции.

Биологам из США, Канады и Японии удалось частично расшифровать молекулярно-генетические основы этого важнейшего эволюционного события ( Koshiba-Takeuchi et al., 2009). Ключевую роль в нем сыграли изменения в работе гена Tbx5. Этот ген, кодирующий регуляторный белок, по-разному экспрессируется в развивающемся сердце у амфибий (шпорцевой лягушки Xenopus) и теплокровных (курицы и мыши). У первых он равномерно экспрессируется по всему будущему желудочку, у вторых его экспрессия максимальна в левой части зачатка (в будущем левом желудочке) и минимальна справа. А как обстоит дело у рептилий?

Выяснилось, что у рептилий – ящерицы и черепахи – на ранних эмбриональных стадиях ген Tbx5экспрессируется так же, как у лягушки, т. е. равномерно по всему будущему желудочку. У ящерицы все так и остается до конца развития. Как и у лягушки, у ящерицы не формируется ничего похожего на перегородку (хотя бы частичную) между желудочками.

Что касается черепахи, то у нее на поздних стадиях формируется градиент экспрессии – такой же, как у цыпленка, только выраженный слабее. Иными словами, в правой части желудочка активность гена постепенно снижается, а в левой остается высокой. Таким образом, по характеру экспрессии Tbx5черепаха занимает промежуточное положение между ящерицей и курицей. То же самое можно сказать и о строении сердца. У черепахи формируется неполная перегородка между желудочками, но на более поздних стадиях, чем у цыпленка. Сердце черепахи занимает промежуточное положение между типичным трехкамерным (как у амфибий и ящериц) и четырехкамерным, как у крокодилов и теплокровных.

Чтобы подтвердить ведущую роль гена Tbx5в эволюции сердца, были проведены опыты с модифицированными мышами. У этих мышей можно было по желанию экспериментатора отключать ген Tbx5в той или иной части сердечного зачатка. Оказалось, что если выключить ген во всем зачатке желудочков, то зачаток даже не начинает подразделяться на две половинки: из него развивается единый желудочек без всяких следов перегородки. Получаются мышиные зародыши с трехкамерным сердцем! Такие зародыши погибают на 12-й день эмбрионального развития.

В другом эксперименте авторам удалось добиться, чтобы ген Tbx5равномерно экспрессировался во всем зачатке желудочков мышиного эмбриона – так же как у лягушки и ящерицы. Это опять-таки привело к развитию мышиных эмбрионов с трехкамерным сердцем.

Конечно, было бы еще интереснее сконструировать таких генно-модифицированных ящериц или черепах, у которых Tbx5экспрессировался бы как у мышей и кур, т. е. в левой части желудочка сильно, а в правой – слабо, и посмотреть, не станет ли у них от этого сердце больше похожим на четырехкамерное. Но это пока неосуществимо: генная инженерия рептилий еще не продвинулась так далеко.

Ясно, что эволюция для создания теплокровности и всего того, что обеспечивает это преображение (сердце, система кровообращения, покровы, система выделения и т. д.), пользовалась простыми инструментами: чем меньше требуется менять настроек, тем лучше. И если трехкамерное сердце можно превратить в четырехкамерное за один шаг, то нет причин этим не воспользоваться.

–

Дупликация генов

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГЕНЫ – ОСНОВА ЭВОЛЮЦИОННЫХ НОВШЕСТВ.

Мысль о том, что дупликация генов служит важнейшим источником эволюционных новшеств, была высказана еще в 1930-е годы выдающимся биологом Джоном Холдейном ( Haldane, 1933). Сегодня в этом нет никаких сомнений. Идея проста. Появление в геноме «лишней» копии гена открывает свободу для эволюционного экспериментирования. Мутации, возникающие в одной из двух копий и ослабляющие исходную функцию гена, не будут отсеиваться отбором, потому что остается вторая копия, сохраняющая прежнюю функциональность. Отбор отсеивает только те мутации, которые снижают приспособленность организма, а для этого нужно, чтобы испортились сразу обе копии гена. Поэтому одна из копий, скорее всего, останется более или менее неизменной, а другая начнет свободно накапливать случайные мутации. С большой вероятностью эта меняющаяся копия будет безнадежно испорчена или вовсе потеряна. Однако есть шанс, что какая-нибудь мутация придаст меняющейся копии новое полезное свойство. Достаточно, чтобы это свойство поначалу было выражено в самой минимальной степени. Отбор «ухватится» за возникшее преимущество и начнет оптимизировать ген для выполнения новой функции.

Такой способ возникновения эволюционных новшеств называют неофункционализацией. Одна из копий удвоившегося гена остается под действием очищающего отбора, не меняется и сохраняет старую функцию, в то время как другая копия приобретает новую. Разумеется, в большинстве случаев новая функция будет родственна исходной: это будет некая вариация на старую тему (помните, мы говорили в главе 1 о трудности перехода с одной возвышенности ландшафта приспособленности на другую?)

Часто бывает и так, что белок, оптимизированный отбором для какой-то одной функции, способен с низкой эффективностью выполнять и другие, второстепенные или вовсе ненужные организму функции – просто в качестве побочного эффекта. Например, большинство ферментов, специализированных для работы с каким-то одним субстратом, могут немножко работать и с другими молекулами, похожими на основной субстрат. Про такие ферменты можно сказать, что они преадаптированык приобретению новой функции. Если условия изменятся таким образом, что эта дополнительная функция окажется полезной, белок может специализироваться на ней – превратить свое хобби в основную работу ( Conant, Wolfe, 2008). Причем это будет особенно легко сделать, если ген данного белка случайно подвергнется дупликации. Ведь в этом случае одна из копий гена может сохранить старую специализацию, а другая – оптимизироваться для выполнения новой функции. Это называют субфункционализацией, или попросту разделением функций.

Ну а если основная функция белка по-прежнему полезна, дополнительная функция («хобби») тоже полезна, а разделения функций не происходит, потому что ген не дуплицировался? В этом случае отбор будет оптимизировать белок для выполнения обеих функций одновременно. Это самое обычное дело: многие гены действительно выполняют в организме не одну, а несколько полезных функций (для простоты изложения будем говорить о случае, когда функций две). Такой ген находится в состоянии адаптивного конфликта. Если в нем возникает мутация, улучшающая выполнение одной из функций, она окажется полезной только в том случае, если от этого не слишком пострадает вторая функция. В результате ген балансирует между двумя направлениями оптимизации, и его структура представляет собой компромисс между противоречивыми требованиями отбора. Понятно, что в такой ситуации ни одна из двух функций не может быть доведена до совершенства. Для таких генов дупликация может стать «долгожданным избавлением» от внутреннего конфликта. Если многофункциональный ген наконец дуплицируется, возникшие копии с большой вероятностью поделят между собой функции и быстро оптимизируются в разных направлениях. Такова схема ухода от адаптивного конфликта.

–

Классические примеры появления новых генов путем дупликации

Кристаллины – белки хрусталика глаза. Водорастворимость, прозрачность и устойчивость (долгий «срок хранения») – чуть ли не единственные обязательные требования, предъявляемые отбором к белкам-кристаллинам. Вероятно, именно поэтому разные типы кристаллинов у животных многократно формировались из самого разнообразного «подручного материала». Например, дельта-кристаллины птиц и рептилий произошли путем дупликации и субфункционализации от фермента аргининосукцинат-лиазы, тау-кристаллины – от энолазы, SIII-кристаллины – от глутатион-S-трансферазы, дзета-кристаллины – от хинон-оксидоредкутазы. Некоторые кристаллины даже сохранили свою ферментативную активность: такие белки могут в хрусталике работать кристаллинами, а в других тканях – ферментами или шаперонами [70]70
  Напомним, что шапероны – это белки, помогающие другим белкам принять правильную трехмерную конфигурацию. Шапероны сглаживают вредные эффекты внешних воздействий (например, перегрева), а также мутаций, мешающих белкам правильно сворачиваться. Многие организмы начинают усиленно производить шапероны в ответ на стрессовые воздействия.


[Закрыть]. Так, эпсилон-кристаллин у птиц одновременно является ферментом лактат-дегидрогеназой ( Wistow, Piatigorsky, 1987; True, Carroll, 2002). От такого «совместительства» их часто освобождают генные дупликации и субфункционализация. Скажем, у человека кристаллин альфа-B совмещает функции кристаллина и шаперона, а у рыбки данио рерио соответствующий ген дуплицировался, причем одна из копий (альфа-B1) сосредоточилась на оптической функции в хрусталике, а вторая (альфа-В2) – на функции шаперона в других тканях ( Smith et al., 2006).

Особенно часто кристаллины формируются из ферментов гликолиза – биохимического процесса, в ходе которого клетка запасает энергию, расщепляя глюкозу без использования кислорода. Дело в том, что в эмбриональном развитии хрусталик формируется из клеток, не способных к кислородному дыханию: эти клетки могут добывать энергию только путем гликолиза. Поэтому они прямо-таки набиты гликолитическими ферментами. Ну а естественный отбор – великий оппортунист и приспособленец, он создает адаптации не из того, что лучше, а из того, что первым подвернется.

В привлечении шаперонов на роль кристаллинов логика примерно такая же – оппортунистическая. Шапероны отвечают за стабильность структуры других белков и сглаживают воздействие стрессовых факторов, будь то мутации или колебания температуры. Хрусталик формируется в некотором смысле в «стрессовых» условиях (без кислородного дыхания), а его содержимое должно быть очень устойчивым к любым стрессам: хрусталик должен сохранить прозрачность и светопреломляющие свойства в течение всей жизни организма, в условиях высокой освещенности, без какой-либо помощи извне, без кровеносных сосудов, без нервов. Поэтому присутствие шаперонов в формирующемся хрусталике – адаптация вполне логичная. Ну а раз они там уже есть, чем не материал для эволюции новых кристаллинов?

Белки-антифризы антарктических рыб.Нототениевые рыбы – самая разнообразная и массовая группа рыб в холодных антарктических морях. Успех нототениевых связан с наличием в их крови удивительных белков-антифризов. Эти белки присоединяются к зарождающимся кристалликам льда и не дают им расти, что позволяет нототениевым жить при экстремально низких температурах (соленая морская вода замерзает при −1,9 °C, а кровь обычных морских рыб – при −0,7… −0,1 °C). Как ни удивительно, антифризы нототениевых произошли от белка, функция которого не имеет ничего общего с защитой от замерзания. Их предком был трипсин – фермент поджелудочной железы, расщепляющий белки в пищеварительном тракте. Все гены антифризов (их у нототениевых несколько) очень похожи друг на друга и явно произошли путем последовательных дупликаций от одного предкового гена, который в свою очередь сформировался из дубликата гена, кодирующего трипсиноген (белок, из которого затем производится фермент трипсин). Начало и конец у генов антифризов остались такими же, как у трипсинового гена, а в середине разместился многократно повторяющийся (амплифицированный) девятинуклеотидный фрагмент из средней части гена трипсина, кодирующий три аминокислоты: треонин-аланин-аланин. Этот повторяющийся аминокислотный мотив составляет «костяк» молекулы антифриза. Судя по показаниям молекулярных часов, дупликация исходного трипсинового гена и появление первого антифриза произошли 5–14 млн лет назад. Это примерно совпадает со временем резкого похолодания в Антарктике (10–14 млн лет назад), а также с началом быстрой адаптивной радиации нототениевых рыб ( Chen et al., 1997).

У одного представителя нототениевых – антарктического клыкача Dissostichus mawsoni– обнаружен белок, промежуточный между трипсиногеном и типичным антифризом: в нем сохранились фрагменты исходного трипсиногена, утраченные остальными антифризами. Этот белок – настоящая молекулярная «переходная форма».

У некоторых арктических рыб в ходе приспособления к жизни в ледяной воде тоже появились белки-антифризы, но другие. Антифриз трески напоминает по своей структуре антифризы нототениевых, но ничего общего не имеет с трипсиногеном. Происхождение трескового антифриза пока не выяснено, ясно только, что это было независимое приобретение. У других арктических рыб свои уникальные антифризы сформировались из других белков – лектинов и аполипопротеинов ( True, Carroll, 2002).

Появление специализированной рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК) у обезьян, питающихся листьями.У колобин – обезьян Старого Света, питающихся трудноперевариваемой растительной пищей, – развился особый отдел желудка, где симбиотические бактерии переваривают несъедобную для животных целлюлозу [71]71
  Совсем как у жвачных (коров, антилоп, оленей и их родни).


[Закрыть]. Сама обезьяна питается фактически этими бактериями, а в них, как и в любых быстро растущих бактериальных популяциях, очень много РНК.

Чтобы переваривать бактериальную РНК, колобинам нужен фермент – РНКаза, способная работать в кислой среде. У предков колобин такого фермента не было. Зато у них, как у всех обезьян, была другая РНКаза (RNase1), работающая в щелочной среде и способная расщеплять двухцепочечную РНК. Это один из механизмов противовирусной защиты, не имеющий отношения к пищеварению.

У колобин в связи с переходом к питанию симбиотическими бактериями появилась новая РНКаза – RNase1B. Она производится в поджелудочной железе и поступает в тонкий кишечник. В кишечнике у колобин, в отличие от других обезьян, среда кислая, а не щелочная. Новый фермент отлично переваривает бактериальную РНК, но не способен обезвреживать двухцепочечную вирусную РНК.

Ген Rnase1Bвозник в результате дупликации исходного гена RNase1. После дупликации одна из копий сохранила старую функцию, а другая приобрела новую. При этом на первую копию действовал очищающий отбор, а на вторую – положительный, что привело к закреплению девяти значимых замен. Эксперименты показали, что каждая из этих девяти замен снижает эффективность выполнения исходной функции – расщепления двухцепочечной РНК. Следовательно, дупликация была необходима для развития новой функции: не будь у колобин «запасной» копии гена, которая продолжила выполнять старую функцию, отбор вряд ли смог бы закрепить эти девять мутаций ( Zhang et al., 2002).

«Молочные» белки таракана Diploptera punctata.Эти живородящие тараканы выкармливают своих детенышей специальными белками, которые произошли путем дупликации и неофункционализации от липокалинов – внеклеточных белков, отвечающих за транспорт небольших гидрофобных молекул (липидов, стероидов, ретиноидов и др.) ( Williford et al., 2004). По-видимому, от того же предкового липокалина у другого таракана, Leucophaea maderae, произошел белок-афродизиак, при помощи которого самцы привлекают самок ( Korchi et al., 1999).

–

Можно ли на практике отличить неофункционализацию от ухода от адаптивного конфликта? По идее, это должно быть не так уж сложно. В первом случае одна копия гена подвергается очищающему (отрицательному) отбору и продолжает выполнять исходную функцию, а вторая копия подвергается положительному отбору. О том, как определить, какой тип отбора действовал на ген, мы говорили в главе 2. Во втором случае обе копии подвергаются положительному отбору, причем эффективность выполнения обеих функций растет.

Проверять такие теории на практике биологи научились лишь недавно. Например, в 2008 году генетики из Университета Дюка (США) применили эти критерии к дуплицированному гену фермента у ипомеи – рода растений из семейства вьюнковых ( Des Marais, Rausher, 2008). Фермент называется дигидрофлавонол-4-редуктаза (DFR). Он восстанавливает различные флавоноиды, превращая их в красные, пурпурные и синие пигменты-антоцианы. Это исходная функция данного фермента, которую он выполняет почти у всех цветковых растений. Кроме того, фермент катализирует некоторые другие химические реакции, причем полный спектр его возможностей на сегодняшний день не установлен.

У ипомеи и нескольких ее близких родственников ген DFRприсутствует в виде трех копий, расположенных вплотную друг к другу ( DFR-A, DFR-B, DFR-C). У других вьюнковых ген имеется только в одном экземпляре. Все вьюнковые с утроенным геном DFRобразуют кладу, т. е. группу, происходящую от одного общего предка и включающую всех его потомков. На начальных этапах эволюции этой группы ген подвергся двум последовательным тандемным дупликациям. Сначала возникло две копии, одна из которых стала геном DFR-B, а вторая дуплицировалась еще раз и превратилась в DFR-Aи DFR-C.

По соотношению синонимичных и значимых замен авторы установили, что после первой дупликации тот ген, который впоследствии разделился на DFR-Aи DFR-C, находился под действием положительного отбора. В нем быстро фиксировались значимые замены, т. е. шла адаптивная эволюция. Что касается гена DRF-B, то в нем скорость фиксации значимых замен после дупликации вроде бы не выросла. Это, казалось бы, свидетельствует в пользу неофункционализации, т. е. говорит о том, что ген DRF-Bсохранил исходную функцию, а DFR-Aи DFR-Cприобрели новую. Однако выводы на этом этапе делать еще рано, потому что важные адаптивные изменения могут быть обусловлены очень небольшим количеством значимых замен. В принципе даже одна-единственная аминокислотная замена может изменить свойства белка.