Лекция 4. Онтогенетические основы эволюции

Онтогенез, или индивидуальное развитие организма, осуществляется на основе наследственной программы, получаемой через вступившие в оплодотворение половые клетки родителей. При бесполом размножении эта программа заключена в неспециализированных клетках единственного родителя, дающего потомство. В ходе реализации наследственной информации в процессе онтогенеза у организма формируются видовые и индивидуальные морфологические, физиологические и биохимические свойства, иными словами — фенотип. В процессе развития организм закономерно меняет свои характеристики, оставаясь, тем не менее, целостной системой. Поэтому под фенотипом понимают совокупность свойств на всём протяжении индивидуального развития, на каждом этапе которого существуют свои особенности.

Ведущая роль в формировании фенотипа принадлежит наследственной информации, заключённой в генотипе организма. При этом простые признаки развиваются как результат определённого типа взаимодействия соответствующих аллельных генов. Вместе с тем, существенное влияние на их формирование оказывает вся система генотипа. Формирование сложных признаков осуществляется в результате разнообразных взаимодействий: либо неаллельных генов непосредственно в генотипе, либо контролируемых ими продуктов.

Результат реализации наследственной программы в значительной степени зависит от условий среды — совокупности внутриорганизменных факторов (факторов внутренней среды организма) или среды I порядка, особенно в эмбриогенезе, и совокупности внешних по отношению к организму факторов окружающей среды или среды II порядка.

Благодаря влиянию факторов среды на формирование фенотипа даже генетически идентичные организмы в различных условиях развития и существования в большей или меньшей степени различаются по своим признакам. Фенотипические изменения, возникающие на основе одного и того же генотипа в разных условиях его реализации, называют модификациями. Модификации отдельного признака или свойства, формируемого данным генотипом, образуют непрерывный вариационный ряд. Чаще обнаруживаются внешние значения признака. Чем дальше признак отстоит от среднего значения, тем реже он наблюдается (рис. 2.4.2).

Фенотипическое проявление информации, заключённой в генотипе, характеризуется показателями пенетрантности и экспрессивности. Пенетрантность отражает частоту фенотипического проявления имеющейся в генотипе информации и выражается как процент особей, у которых доминантный аллель гена проявился в признак по отношению ко всем носителям данного аллеля.

Экспрессивность — показатель, характеризующий проявление наследственной информации, показывающий степень выраженности признака и, с одной стороны зависит от дозы соответствующего аллеля гена при моногенном наследовании или от суммарной дозы доминантных аллелей генов при полигенном наследовании, а с другой — от факторов среды. Примером служит интенсивность красной окраски цветков ночной красавицы, убывающей в ряду генотипов АА, Аа, аа, или интенсивность пигментации кожи у человека, увеличивающаяся при возрастании числа доминантных аллелей в системе полигенов от 0 до 8.

У многих организмов факторы среды влияют на определение половой принадлежности организма. В целом половая принадлежность наследственно детерминирована. У большинства видов первичное соотношение по полу 1:1 и зависит от хромосомного механизма определения половой принадлежности организмов, обеспечивающих равновероятность встречаемости представителей обоих полов. Это обстоятельство имеет большой биологический смысл, так как обусловливает максимальную вероятность встречи самки и самца, при этом потомки получают более разнообразную наследственную информацию, поддерживается оптимальная численность особей в популяции.

Генетическая регуляция онтогенеза. По распространенному современной литературе мнению, в основе каждого из событий раннего развития, приводящего в конечном итоге к формированию взрослого организмов лежит активность т.н. «ключевых генов» (гомеобокс-содержащие гены, семейство НОХ-генов) (Рэфф, Кофмэн, 1989; Wilkins, 2001). Поскольку все события раннего онтогенеза животных образуют причинно-следственную цепь, называемую «путем развития», то каскад активности «ключевых генов», обеспечивающих функционирование этой цепи, называется «генетическим путем развития».

На основании мутационного анализа был сделан вывод о том, что гомеобокс-содержащие гены ответственны за нормальную сегментацию тела, создание «разметки», детерминирующей план строения эмбриона и морфологию развивающихся на них структур у насекомых по принципу колинеарности – совпадения последовательности расположения генов вдоль хромосомы с пространственной последовательностью зон экспрессии генов вдоль передне-задней оси эмбриона (впервые описан для кластера НОХ генов дрозофилы и их ортологов у мыши). В соответствии с этим представлением, эволюция онтогенеза сводится, в первую очередь, к изменению набора ключевых генов и к появлению новых генетических путей развития (Гильберт, 1993).

Вопрос? Почему при консервативности ключевых генов наблюдается такое разнообразие конечных результатов и почему в формирование негомологичных структур вовлечены ортологи одних и тех же ключевых генов. Т.Х. Морган обнаружил у дрозофилы мутацию eyeless, выражающуюся в редукции или отсутствии одного или обоих глаз. Мутация локализована в гене ey, являющегося ортологом мышиного гена Pax-6, причем у мыши описана мутация этого гена, фенотипически выражающаяся в формировании маленьких глаз, и, соответственно, названная small ey. Впоследствии было обнаружено, что продукты ортологов гена Pax-6 обеспечивают формирование нормальных глаз и у других животных, например, у головоногих моллюсков.

Появилось представление, что Pax-6 и его ортологи представляют собой MASTER GENES, управляющие развитием глазных структур. Подробные исследования особенностей экспрессии этих генов выявили несколько закономерностей: эти гены экспрессируются не только в зоне формирования глаза, т.е. они плейотропны; их активности недостаточно для формирования глаз «где угодно», что дает основание предполагать о том, что они являются компонентами сложных полигенных сетей, участники которых связаны регуляторными обратными связями и одинаково важны для активации экспрессии структурных белков глаз, т.е. выясняется, что вместо линейного каскада активности генов существует сложная регуляторная сеть.

В настоящее время известно, что изменяться может не только набор ключевых генов, вовлеченных в формирование гомологичных структур, но и особенности взаимодействия между продуктами этих генов, т.е. конструкция регуляторных сетей.

Компонентами генетических регуляторных сетей являются не только продукты гомеобокс-содержащих генов, но и многие белки, являющиеся сигнальными молекулами и рецепторами. Эти компоненты генетических регуляторных сетей, по-видимому, наиболее консервативны. Многие сигнальные пути, обеспечивающие проведение информации от цитоплазматической мембраны к ядру, являются общими, например, для грибов и позвоночных животных. Молекулы сигнальных факторов ещё более плейотропны, чем продукты гомеобокс-содержащих генов. Например, бета-катенин может выполнять роль структурного белка, обеспечивая связь цитоскелета с белками межклеточной адгезии, может работать как компонент сигнального пути, обеспечивая проведение сигнала от трансмембранных рецепторов к ядру, а может связываться в ядре клетки с транскрипционными факторами, модулируя их активность.

Эпигенетическая регуляция онтогенеза. Понятие эпигенетических процессов, происходящих в организме на пост транскрипционном уровне, было предложено Уоддингтоном (1957). Инициация и реализация этих процессов лишь опосредовано связана с экспрессией генов, и регулируется факторами, которые невозможно напрямую закодировать в геноме.

Эпигеномность морфогенетических процессов проявляется в различных индукционных взаимодействиях, характерных для эмбрионального развития как позвоночных, так и беспозвоночных животных, и в настоящее время уже понятно, что эпигенетические процессы, регулирующие онтогенез, действуют, наряду с генетическими, начиная с самых ранних этапов развития и на всех уровнях организации. На субклеточном уровне (молекулярном) ярким примером эпигенетических явлений может служить процесс формирования третичной и четвертичной структуры белка. Так, показано, что молекулы некоторых негомологичных белков (кадрегины – белки межклеточной адгезии, иммуноглобулины, цитохромы растений, бактериальные целлюлазы и транскрипционные факторы эукариот) формируют практически идентичную третичную структуру. Это объясняется не общностью первичных структур белков, а тем, что такая конформация наиболее выгодна с энергетической точки зрения и её формирование требует меньше времени. Другой пример – реорганизация цитоскелета и межклеточных контактов как ответ на изменение внешних (по отношению к клетке) условий. Например, изменение степени поляризации соседних клеток, адгезия клеточных мембран друг с другом или с межклеточным матриксом и т.п., имеющая большое значение для поляризации клеток и, таким образом, для морфогенезов. Примером эпигенетических процессов, происходящих на уровне формирования плана строения эмбриона, является поляризация зиготы бурых водорослей рода Fucus под воздействием света. Наименее освещенная сторона зиготы становится ризоидным полюсом. На уровне организма от эпигенетических факторов может зависеть детерминация пола и фенотипическое проявление специфичных для самок и самцов признаков.

Эпигенетические процессы порождают отдельный тип изменчивости, не обусловленный генетическим и средовым факторами, влияющими на взаимодействие развивающихся структур.

Впервые этот факт был отмечен И.И. Шмальгаузеным, сформулировавшим теорию онтогенетических корреляций – взаимодействий развивающихся частей организма, основанных на принципе обратных связей, охватывающей три уровня коррелятивных взаимодействий: геномные корреляции – взаимодействие между генами развивающегося организма; морфогенетические корреляции, соответствующие терминам «формообразовательный аппарат» Д.П. Филатова (Филатов, 1939) и «креод развития» Уоддингтона (Waddington, 1957); эргонтические корреляции – взаимодействие на уровне уже функционирующих подсистем организма (а не зачатков структур).

Несмотря на то, что относительная роль генетической и эпигенетической регуляции морфогенеза ещё не выявлена, очевидно, что мутации могут повлиять на него либо ускорив, либо замедлив, либо исказив формирование тех или иных компонентов формообразовательного аппарата, что влечет за собой более или менее сильное нарушение морфогенетических корреляций.

Генотип и фенотип. В генетике существуют два очень важных понятия. Это понятия генотип и фенотип. Мы уже знаем, что наследственная конституция складывается из большого числа различных генов. Вся совокупность генов данного организма называется его генотипом, то есть понятие генотипа идентично понятию генетической конституции. Свой генотип (набор генов) каждый человек получает в момент зачатия и несет его без всяких изменений через всю свою жизнь. Активность генов может меняться, но их состав остается неизменным.

От понятия генотип следует отличать другое сходное понятие - геном. Геномом называется совокупность генов, характерная для гаплоидного набора хромосом особи данного вида. В отличие от генотипа геном является характеристикой вида, а не отдельной особи. Фенотип же представляет собой любые проявления организма в каждый момент его жизни. Фенотип включает в себя и внешний вид, и внутреннее строение, и физиологические реакции, и любые формы поведения, наблюдаемые в текущий момент. Например, уже упоминавшиеся группы крови системы АВ0 - это пример фенотипа на физиолого-биохимическом уровне. Хотя на первый взгляд многим кажется, что группа крови - это генотип, поскольку она четко определяется действием генов и не зависит от среды, однако это лишь проявление действия генов, и поэтому должно быть отнесено к категории фенотипов. Вспомним, что представители групп крови А или В могут иметь разные генотипы (гомозиготные и гетерозиготные). Сложными фенотипами являются все поведенческие проявления. Например, почерк, который отличает данного индивида, является его поведенческим проявлением и также относится к категории фенотипов. Если группа крови в течение жизни не меняется, то почерк по мере тренировки навыка письма претерпевает значительные изменения.

Если генотипы наследуются и остаются неизменными в течение жизни индивида, то фенотипы большей частью не наследуются - они развиваются и являются следствием наших генотипов лишь в определенной мере, поскольку большую роль в становлении фенотипов играют условия внешней среды.

Весь процесс развития от оплодотворенной яйцеклетки до взрослого организма происходит не только под непрерывным регулирующим влиянием генотипа, но и под влиянием множества различных условий среды, в которых находится растущий организм. Поэтому необычайная изменчивость, свойственная живым организмам, обусловлена не только огромным разнообразием генотипов, возникающим вследствие рекомбинации генов и мутационного процесса, но в значительной степени объясняется и тем, что отдельные индивиды развиваются в различающихся условиях среды.

С давних пор идет полемика о том, что важнее для формирования организма - среда или генетическая конституция. Особенно острые споры разгораются там, где дело касается поведения человека, его психологических характеристик - темперамента, умственных способностей, черт личности. Не случайно, что именно с вопроса о природе умственной одаренности начались исследования в области генетики человека. Ф. Гальтон первым в научном трактате поставил рядом два понятия, которые в той или иной форме не сходят со страниц научной литературы до наших дней. Это понятия - "nature and nurture", то есть "природа и условия воспитания".

Генетиков часто упрекают в отрицании роли среды. Однако такой упрек совершенно необоснован. Одним из основных постулатов генетики является тезис о том, что фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и среды. В процессе этого взаимодействия и возникает то многообразие фенотипических проявлений, которое характерно для большинства признаков человека, относящихся к категории количественных и образующих непрерывный ряд изменчивости.

Дата добавления: 2014-01-15