Структурные гены и регуляторы в эволюции

Структурные гены и регуляторы в эволюции

Белковые филогении, однако, не всегда совпадают с морфологическими филогениями. Например, аминокислотные последовательности цитохрома с, как это видно на рис. 3-3, распадаются на четко разграниченные ветви, соответствующие царствам простейших, грибов, растений и животных; обособлены также последовательности, относящиеся к разным типам животных. Кольчатые черви, моллюски, ракообразные, как следовало бы ожидать на основании классических подходов к филогении, образуют группу типов, отличающихся от позвоночных. Однако иглокожим на этом цитохромном древе соответствует одна из боковых ветвей кольчатых червей, что противоречит эмбриологическим данным, согласно которым иглокожие близки к хордовым (см. рис. 4-1). Сходные затруднения возникают также при рассмотрении миоглобинового древа (рис. 3-4). Расположение на нем большинства групп в разумных пределах согласуется с палеонтологическими и морфологическими данными, по лори и лемуры занимают несколько неожиданные места. По своему строению эти формы относятся к приматам, однако по аминокислотным последовательностям миоглобина они не ближе к высшим приматам, чем собаки или кролики. Это последнее экстраординарное заключение вряд ли правильно, поскольку общепринятая филогения основана на гораздо большем числе признаков, чем продукт одного гена. Общее соответствие филогении, построенных на основе молекулярных и морфологических критериев, объясняется, вероятно, длительным усреднением скоростей как морфологической, так и молекулярной эволюции. Несоответствие же может быть результатом вариаций либо скорости эволюции данного белка, либо скорости морфологической эволюции какой-либо определенной линии.

Вариации в скоростях эволюции белков, по-видимому, особенно велики в период возникновения новых функций. Белки, функции которых вполне сложились, эволюционируют с точностью часового механизма, и их можно поэтому использовать для определения молекулярных филогении. Однако в период становления функции какого-либо нового белка его эволюция, очевидно, отклоняется от точного хода молекулярных часов. Если скорость эволюции глобина экстраполировать в прошлое, как это сделано на рис. 3-1, то дивергенция глобинов приходится на поздний докембрий, т.е. на гораздо более раннее время, чем появление первых остатков Metazoa в палеонтологической летописи. Так, при этом получается, что глобин миног дивергировал от глобина насекомых более чем 1000· 10⁶ лет назад, от гемоглобина позвоночных - 800 · 10⁶ лет назад, а гемоглобин от миоглобина 900 · 10⁶ лет назад. Такие экстраполяции, возможно, приводят к сильно завышенным оценкам. В соответствии с палеонтологическими данными Гудман, Мур и Матсуда (Goodman, Moore, Matsuda) предполагают, что эти белки дивергировали позднее: глобин миноги от глобинов насекомых - примерно 700· 10^б лет назад, глобин миноги от гемоглобинов позвоночных - примерно 500 · 10⁶ лет назад, а гемоглобины от миоглобинов - также около 500 · 10⁶ лет назад. Дивергенция ?- и ?-гемоглобинов также произошла примерно 450 · 10⁶ лет назад. Такие оценки сроков дивергенции представляются разумными, потому что древнейшие примитивные хордовые известны из среднего кембрия (примерно 550 · 10⁶ лет назад), а остатки древнейших позвоночных-из позднего кембрия (примерно 500 · 10⁶ лет назад). Из этих пересмотренных оценок сроков дивергенции вытекает, что в период от 500 до 400·10⁶ лет назад скорость эволюции глобинов была гораздо выше, чем впоследствии.

Есть и другие примеры. Наилучший из них - это, вероятно, ?-лактальбумин - субъединица лактозосинтетазы молочной железы. ?-Лактальбумин сходен по своей аминокислотной последовательности с лизоцимом и, возможно, произошел от лизоцима во время эволюции ранних млекопитающих. Согласно «Атласу аминокислотных последовательностей и структуры белков», ЕЭВ для ?-лактальбумина равна примерно 2,3 · 10⁶ лет, тогда как для лизоцима она равна примерно 5 · 10⁶ лет. Если бы эти скорости были постоянными на всем протяжении истории развития двух белков, то, учитывая аминокислотные различия между ?-лактальбумином и лизоцимами млекопитающих, ?-лактальбумин должен был возникнуть 300 · 10⁶ лет назад - примерно за 100 · 10⁶ лет до того, как в позднем триасе появились первые млекопитающие. Более вероятная альтернатива состоит в том, что ?-лактальбумин возник в триасе в качестве одного из элементов комплекса признаков, характеризующих млекопитающих, и на раннем этапе своей истории претерпел период быстрой эволюции.

Другой, особенно интересный пример обнаружил Хенниг (Hennig), описавший у мыши цитохром с, специфичный для семенников, который отличается по 13 аминокислотам от цитохрома с, содержащегося во всех других тканях мыши. Он отмечает, что если эти 13 замен локализовать на трехмерной модели молекулы цитохрома с, то окажется, что все они сконцентрированы на одном участке поверхности. В остальном вся аминокислотная последовательность идентична основному цитохрому с мыши и других грызунов (Carlson et al.). Хенниг полагает, что, судя по числу замен, дивергенция цитохрома с семенников произошла на раннем этапе эволюции четвероногих (или даже раньше) и что остальная часть его молекулы эволюционировала параллельно основному цитрохрому с. Представляется, однако, более вероятным, что цитохром с семенников - результат относительно недавней дупликации гена, имевшей место у первых грызунов, за которой последовала быстрая эволюция этого специализированного белка.

В этих примерах повышение скоростей изменения происходило в период развития новых функций, но после достижения функциональной адаптации приемлемые замены ограничивались второстепенными частями молекулы. Это, по-видимому, общее положение. Отклонения эволюции белка от нормального хода молекулярных часов не лишают нас возможности использовать белковые часы для тех промежутков времени, в которые их эволюция протекала с достаточно постоянной скоростью. Совершенно очевидно, что в тех случаях, для которых нельзя хорошо установить время дивергенции на основании палеонтологической летописи, или в линиях, у которых скорость эволюции белка может оказаться непостоянной, желательно соблюдать осторожность.

Несоответствие между морфологической и молекулярной филогениями в тех случаях, когда белки эволюционируют строго по молекулярным часам, может быть вызвано только непостоянством скоростей морфологической эволюции. Очевидно, такое несоответствие не является чем-то необычным, и разобщенность морфологической эволюции и молекулярных часов имеет большое значение. Экспериментальные доказательства того, что морфологическая эволюция связана с иной частью генома, нежели та, которая измеряется по ходу молекулярных часов, получены главным образом в работах Вилсона (Wilson) и его сотрудников.

Наиболее впечатляющим примером для иллюстрации этой гипотезы служат родственные отношения между человеком и шимпанзе. Систематики на основании морфологических различий между этими двумя организмами относят их к разным семействам, однако, как показали Кинг и Вилсон (King, Wilson), если судить по молекулярным признакам, то они связаны очень тесным родством. Степень сходства между ними поразительна. Аминокислотные последовательности 12 довольно разнообразных белков различаются всего по 7,2 из 1000 аминокислотных остатков; иными словами, аминокислотные последовательности белков идентичны более чем на 99%. Кинг и Вилсон использовали еще один метод для оценки сходства белков, сравнив поведение 44 внутриклеточных и сывороточных белков при электрофорезе. У большей части этих белков есть аллельные варианты, выявляемые методом электрофореза. Доля электрофоретически идентичных аллелей, находящихся в определенном локусе у человека и у шимпанзе, составила 0,52. Различия в последовательностях для 44 изученных таким образом аллелей вычисляли путем определения доли аминокислотных замен, выявляемых при электрофорезе, и последующей оценки общего числа накопившихся замен с применением распределения Пуассона. Согласно этим расчетам, число замен равно 8,2 на 1000 аминокислот, т. е. белки человека и шимпанзе идентичны на 99%.

Наконец, Кинг и Вилсон, используя данные Коне (Kohne) и Хойера (Hoyer) и их сотрудников об устойчивости к нагреванию гибридов между ДНК человека и шимпанзе, содержащих только уникальные последовательности, установили, что последовательность ДНК средней длины, содержащая 3000 оснований (т.е. эквивалентная 1000 аминокислот), различается у человека и шимпанзе по 33 нуклеотидам. Эта разница больше, чем предсказывали, исходя из частоты замены аминокислот в белках, но расхождение нетрудно объяснить. К такому результату могут привести как непроявляющиеся мутации, вызывающие замены нуклеотидов, не сопровождающиеся изменениями в аминокислотных последовательностях, так и мутации в некодирующих участках. Молекулярные расстояния, оцененные всеми этими методами, можно сопоставить с таксономическими расстояниями между другими организмами, по которым проведены также хорошие сравнения на молекулярном уровне. Когда Кинг и Вилсон проводили анализ генетического расстояния на основе данных электрофоретических исследований и гибридизации ДНК, они с удивлением обнаружили, что человек и шимпанзе близки друг к другу не меньше, чем виды-двойники других млекопитающих или дрозофилы. Это сходство подтверждается результатами подробного изучения строения хромосом человека и шимпанзе (Yunis et al.), свидетельствующими о почти полной идентичности «бендинга» хромосом у обоих организмов.

Конечно, можно говорить о том, что отнесение шимпанзе и человека к разным семействам - результат давних предрассудков, побуждающих нас отделять собственный вид от своих отсталых ближайших родичей. Бенджамен Дизраели искренне считал, что, если бы ему пришлось решать, относится ли человек к обезьянам или ангелам, он склонился бы в пользу ангелов, и на такой позиции до сих пор остаются многие. Однако вполне возможно, что таксономисту, не относящемуся к Homo sapiens, шимпанзе и человек казались бы видами-двойниками, принадлежащими к одному роду. Подобный довод выдвинул Меррел (Merrell), а Черри, Кэйз и Вилсон (Cherry, Case, Wilson) подвергли его проверке. Они провели количественные сравнения между человеком и шимпанзе по таким же морфологическим признакам, которые используются систематиками для выявления различий между бесхвостыми амфибиями по форме их тела. Оказалось, что человек и шимпанзе различаются по этим критериям в несколько большей степени, чем бесхвостые амфибии, принадлежащие к разным подотрядам; этот интересный результат не может служить аргументом в пользу чересчур сильного таксономического разделения человека и шимпанзе таксономистами-людьми. Вместо этого создается впечатление, что за те примерно (5-10) · 10⁶ лет, которые прошли со времени дивергенции этих двух линий, гоминиды претерпели чрезвычайно быструю морфологическую эволюцию, хотя их молекулярная эволюция протекала с обычной скоростью.

В 1974 г. Вилсон, Максон и Сарич (Wilson, Maxon, Sarich) высказали мнение, что «существуют, возможно, два главных типа молекулярной эволюции. Один тип - это процесс эволюции белка, который протекает примерно с одинаковой скоростью у всех видов. Другой тип - процесс, скорость которого варьирует и который обусловливает эволюционные изменения морфологии и образа жизни. Мы считаем, что за эволюцию на морфологическом и более высоких уровнях ответственны эволюционные изменения регуляторных систем». Вилсон и его сотрудники подвергли эту гипотезу проверке, сопоставляя молекулярные различия между организмами с показателями различий между их регуляторными системами. Так, они сравнивали лягушек с плацентарными млекопитающими, что представляется мало обоснованным.

В процессе диверсификации, происходившем с конца мелового периода, плацентарные млекопитающие претерпели быструю эволюцию. Диапазон их морфологического разнообразия очень велик : от летучих мышей до китов, от слонов до человека. Как в анатомическом, так и в адаптивном отношении они образуют гораздо более широкий спектр, чем лягушки, которые за все 150 · 10⁶ лет своей истории почти не изменились ни анатомически, ни по образу жизни. Несмотря на морфологический консерватизм лягушек, аминокислотные последовательности их белков подверглись значительным эволюционным изменениям, и их молекулярные часы показывают то же время, что и гомологичные часы млекопитающих. Многие пары видов млекопитающих и лягушек были испытаны на способность давать при скрещиваниях жизнеспособные межвидовые гибриды (т.е. гибриды, способные развиваться и достигать половой зрелости, но не обязательно плодовитые). Эти межвидовые гибриды Вилсон, Максон и Сарич использовали для проверки относительной роли эволюции аминокислотных последовательностей в управлении изменениями на уровне организма. Если близость по аминокислотным последовательностям имеет решающее значение, то межвидовые гибриды должны получаться только при скрещивании видов, у которых эти последовательности очень сходны. Такой результат может означать либо что для правильной сборки функциональных белковых комплексов необходимы очень близкие белковые субъединицы, либо что сходство белков служит показателем такой незначительной дивергенции между двумя объединившимися в гибриде геномами, при которой они остаются совместимыми и могут обеспечить эмбриональное развитие.

В одной работе, в некотором смысле похожей на обследование пассажиров Ноева ковчега, было проведено сравнение сывороточных альбуминов каждого из членов 31 пары видов млекопитающих и 50 пар видов лягушек, которые при скрещивании между собой дают жизнеспособные межвидовые гибриды; критерием для сравнения служило связывание комплемента, определяемое количественным микрометодом и используемое для установления иммунологического сходства белков. Результаты были представлены в единицах иммунологического расстояния, которое прямо зависит от различий в аминокислотной последовательности. Такой подход позволяет получить молекулярные часы для альбуминов; эти белки были выбраны, потому что они легко очищаются и обладают сильными антигенными свойствами. Иммунологические расстояния для альбуминов хорошо соответствуют скорости хода молекулярных часов вообще, потому что эти расстояния для пар приматов, других млекопитающих и хвостатых амфибий были прямо пропорциональны различиям по всей уникальной последовательности между ДНК тех же пар организмов (Вилсон, Сарич и Кронин, Максон и Вилсон).

Результаты сравнения альбуминовых расстояний и способности производить жизнеспособное гибридное потомство выявили резкое различие между лягушками и млекопитающими. Пары видов млекопитающих, относящихся к таким группам, как приматы, хищные, непарнокопытные и парнокопытные, и дающих жизнеспособные гибриды, были очень близки в смысле иммунологического расстояния по альбуминам. Диапазон этих расстояний лежал в пределах от 0 до 10 ед. со средней, равной 3. Этот довольно узкий диапазон резко отличался от того диапазона расстояний - до 90 ед., - при которых виды лягушек все еще давали жизнеспособные гибриды; для лягушек среднее расстояние было равно 37 ед. Если бы млекопитающие с такими большими иммунологическими расстояниями, как наблюдаемые у лягушек, могли тоже давать жизнеспособные гибриды, то стали бы возможны скрещивания между человеком и обезьяной, собакой и тюленем или овцой и жирафом. Вилсон и его сотрудники высказали мнение, что такие скрещивания невозможны, потому что у млекопитающих (в отличие от лягушек) произошли быстрые эволюционные изменения в системах, регулирующих экспрессию генов в процессе развития. Из-за того что альбуминовые молекулярные часы изменялись у лягушек и млекопитающих с одинаковой скоростью, скорость эволюции регуляторных систем, участвующих в процессе развития, должна быть у млекопитающих в 10 раз выше, чем у лягушек.

Эта гипотеза привлекательна, однако доказательств в ее пользу пока нет. Главное возможное осложнение проистекает из того факта, что у млекопитающих зародыши непосредственно взаимодействуют с матерью через плаценту. Таким образом у гибридов, синтезирующих белки, отличные от белков материнского вида, может произойти иммунологическое отторжение. Лягушки, а также птицы, которые, как показали Прагер (Prager) и Вилсон, способны, подобно лягушкам, давать жизнеспособные гибриды при скрещиваниях между видами, значительно дивергировавшими по белкам, отличаются от млекопитающих тем, что они развиваются из яйца, совершенно изолированного от иммунной системы матери. В экспериментах на млекопитающих, у которых материнская иммунная система была подавлена, не наблюдалось повышения выживаемости, так что это возражение также остается спорным.

Отсутствие корреляции между молекулярной и морфологической эволюцией наблюдается также и у других организмов. Например, было обнаружено (Avise et al.), что у гольянов, у которых происходило быстрое видообразование, эволюция белков протекала с такой же скоростью, как у солнечных окуней, у которых видообразование происходило медленно.

Как могла эволюция регуляторных систем совершаться независимо от замены нуклеотидов в структурных генах? Вилсон и его сотрудники высказали мнение, что морфологическая эволюция происходит за счет перераспределения генов, а не за счет точковых мутаций. Термин «перераспределение генов» объединяет ряд разнообразных процессов, часть из которых очень трудно выявить. События, происходящие на уровне кариотипа, такие как изменения числа хромосом или хромосомных плеч, отражают расщепление существующих хромосом, приводящее к увеличению их числа, или слияние хромосом с уменьшением их числа, или другие события, в частности инверсии или уменьшение количества гетерохроматина. Вилсон, Буш, Кэйз и Кинг (Wilson, Bush, Case, King) рассматривают эти изменения как «внешние выражения явления перераспределения генов».

Остается неясным, насколько же точно внешне заметные изменения кариотипа отражают перераспределения генов, которые предположительно играют важную роль в морфологической эволюции? Вилсон и Буш и их сотрудники попытались выяснить зависимость между хромосомными изменениями и морфологической эволюцией, сравнивая скорости кариотипических и морфологических изменений у плацентарных млекопитающих, рептилий, амфибий и рыб. Хотя быстрая морфологическая эволюция протекает независимо от молекулярной эволюции, она сильно коррелирована с быстрыми изменениями в числе хромосом. Скорость изменения числа хромосом у млекопитающих в 10-20 раз выше скорости, вычисленной для морфологически более консервативных амфибий, рептилий и рыб. Интересно указать, что аналогичная несоразмерность существует между млекопитающими и моллюсками, для которых вообще характерна низкая скорость морфологических изменений. Это позволяет установить некую общую корреляцию, согласно которой скорость изменения хромосом ниже в группах, эволюционирующих быстрее. Буш и его сотрудники усовершенствовали эти измерения с целью показать, что фактически скорость эволюции хромосом тесно коррелирует со скоростью видообразования. На основании этих результатов было сделано предположение, что эволюция хромосом может действительно быть тем механизмом, который непосредственно обеспечивает перестройки генома, имеющие важное значение для морфологической эволюции. Следует, однако, отметить, что из этого обобщения имеются исключения, в чем можно убедиться на примере двух недавних исследований. Сравнения скоростей эволюции кариотипа среди мелких карповых, которые провел Голд (Gold), показывают, что, вопреки ожиданиям, изменения хромосом происходят гораздо медленнее у рода Notropis, характеризующегося быстрым видообразованием, чем у других родов того же семейства с более медленным видообразованием. Скорости эволюции кариотипа могут сильно варьировать также и у млекопитающих. Как установили Бэйкер и Бикхэм (Baker, Bickham), у летучих мышей, хотя эта группа в целом морфологически консервативна, изменения хромосом происходили с очень разной скоростью; у некоторых летучих мышей не обнаружено никаких изменений по сравнению с кариотипом, принятым за примитивный, тогда как у других скорость изменений была наивысшей из всех когда-либо описанных для какой-либо группы животных. Скорости кариотипической эволюции не соответствуют ходу молекулярных часов, и они не обязательно соответствуют скоростям морфологической эволюции. Мы считаем, что реорганизация генома имеет решающее значение для морфологической эволюции. Однако такие изменения генома происходят при помощи гораздо более тонких механизмов, чем крупные хромосомные перестройки, и изменения на уровне хромосом не являются необходимым компонентом видообразования и морфологического изменения.