Есть тонкие властительные связи

[egovoru]

Судя по обсуждениям в этом журнале, широкая публика уже более или менее примирилась с существованием генов и с тем, что случайные мутации в них поставляют материал для естественного отбора. Остается, однако, вопрос, а как мутации – то есть, изменение последовательности нуклеотидов в ДНК и закодированной ею последовательности аминокислот в белке – вызывают серьезные морфологические изменения, скажем, появление новых органов? Ведь замена одной «буквы» в одном белке – слишком незначительное событие, чтобы иметь какие-то глобальные последствия?

Краткий ответ на этот вопрос – смотря в каком белке. Услышав слово «белок», мы в первую очередь представляем себе структурные белки, из которых и состоят клетки, но главная роль в морфогенезе принадлежит белкам регуляторным. А среди них особенно важны так называемые «факторы транскрипции», способные связываться с определенными участками ДНК и координированно регулировать экспрессию генов – иногда сотен их разом, составляющих целые программы развития. Как пишет Шон Кэрролл (не физик, а другой Шон, биолог-эволюционист), морфологические изменения в эволюции обычно связаны даже не с появлением новых генов, а с изменением характера экспрессии уже имеющихся.

Важнейшая группа факторов транскрипции кодируется Hox-генами, среди которых мы рассмотрим Hox10. Именно этот ген отвечает за то, что у нас с вами есть ребра в грудном отделе тела и нет в поясничном: его продукт подавляет образование ребер в ходе зародышевого развития. Если искусственно повредить этот ген у мышиного эмбриона, у него вырастут дополнительные ребра – как на картинке внизу справа.

У змей ребра растут по всей длине тела, но ген Hox10 у них в порядке, что некоторое время составляло загадку. Выяснилось, однако, что у этих животных имеется мутация – замена единственного нуклеотида! – в участке ДНК, с которым связывается белковый продукт Hox10. (Сам этот участок ничего не кодирует, а играет роль «энхансера», активатора транскрипции других участков). Соответственно, у змей белок, кодируемый Hox10, синтезируется, но не действует – не связывается с дефектным энхансером и не подавляет образование ребер ни в каких отделах тела.

Мне кажется, этот пример – довольно наглядная иллюстрация генетических механизмов морфологической эволюции.

Формирование ребер в поясничном отделе мышиного эмбриона
при «выключении» гена Hox10 за счет мутации:
слева – дикий тип, справа – мутант
(фото из статьи Wellik & Capecchi 2003-го года)

Comments

[lj-frank-bot.livejournal.com]

Hello!
LiveJournal categorization system detected that your entry belongs to the category: Наука (https://www.livejournal.com/category/nauka?utm_source=frank_comment).
If you think that this choice was wrong please reply this comment. Your feedback will help us improve system.
Frank,
LJ Team

[egovoru.livejournal.com]

Правильно, Фрэнк!

[lj-frank-bot.livejournal.com]

Отлично

[alex-new-york.livejournal.com]

А как именно Hox10 подавляет рост ребер в поясничном отделе? Откуда ребро знает, в поясничном отделе оно находится или в грудном? И как оно определяет, какую форму и размеры принимать? У него же нет ни глаз, ни линейки

[egovoru.livejournal.com]

Поскольку эта область исследований далека от моих профессиональных интересов, конкретного ответа я не знаю. Для того, чтобы в этом разобраться, нужно выяснить, как вообще происходит дифференциация отделов тела. Насколько я знаю, в этом задействованы еще другие Hox гены и наверняка не только они. Один из возможных вариантов - какой-то из этих других генов экспрессируется только в поясничном отделе, но не в грудном. Причиной этого, в свою очередь, может быть, например, градиент еще какого-то регуляторного белка (или даже низкомолекулярного вещества, типа гормона) вдоль тела.

Вот что пишут о регуляции экспрессии Hox генов в обзоре, ей посвященном (https://dev.biologists.org/content/140/19/3951.short):

"Here, we examine the spectrum of molecular mechanisms controlling Hox gene expression in model vertebrates and invertebrates and find that a diverse range of mechanisms, including nuclear dynamics, RNA processing, microRNA and translational regulation, all concur to control Hox gene outputs. We propose that this complex multi-tiered regulation might contribute to the robustness of Hox expression during development".

[nsela.livejournal.com]

Почитайте Нила Шубина "Внутренняя рыба" или "Бесконечное число самых прекрасных форм" Керрола.

[egovoru.livejournal.com]

Сначала я как раз и хотела подыскать какой-то конкретный пример в последней книжке, но рецензии рекомендуют ее скорее для общего знакомства с предметом (что мне не требуется, поскольку я сама профессиональный биолог, хотя и не эволюционист). Так что у Шона Кэрролла я ограчинилась только статьей, ссылка на которую есть в посте.

А конкретный пример я почерпнула вот из этой книжки (https://www.amazon.com/How-Snake-Lost-its-Legs-ebook-dp-B00HAFO1C6/dp/B00HAFO1C6/ref=mt_kindle?_encoding=UTF8&me=&qid=). Автор разбирает в ней еще несколько хорошо изученных случаев, но этот показался мне самым наглядным - я хотела пример морфологического изменения, где известна конкретная мутация.

Но, может, в упомянутых Вами книгах есть даже лучшие примеры? Или, возможно, Вы знаете их из каких-то других источников?

[ivanov-petrov.livejournal.com]

Мне очень нравится эта идея - в сложной форме даже ошибка ведет к появлению другой сложной формы.

Но осознается ли, чем является этот аргумент? Это ведь знаменитый довод - "и потом там черепахи до самого дна". То есть: давайте продолжим: все формы обязаны своим происхождением ошибкам в возникновении других форм.

[jackclubs2.livejournal.com]

Ну, периодическую структуру сделать просто. А потом просто её испортить - и она станет апериодической - то есть сложной.

[egovoru.livejournal.com]

"давайте продолжим: все формы обязаны своим происхождением ошибкам в возникновении других форм"

Так и есть: все эволюционные изменения, и не только форм, есть результат ошибок копиривания прежде существовавших вариантов. Вопрос же о том, как же возник "самый первый вариант", способный к самокопированию - сродни вопросу о том, что же было до Большого взрыва :)

Этот пример, конечно, не совсем то, что я искала для иллюстрации: это просто снятие подавления чего-то, что уже было сформировано прежде (развития ребер как таковых). Но он понравился мне тем, что тут удалось идентифицировать конкретную мутацию.

Для того, чтобы разобраться получше, нужно "откручивать" систему назад до, как минимум, закладки основного плана тела - иначе говоря, до происхождения многоклеточности. Интересно, что и эта последняя - тоже результат подавления чего-то, что существовало раньше: а именно, расхождения дочерних кеток после митоза.

[elotar.livejournal.com]

Ну очевидно же - "hellow world" появилась спонтанно на жестком диске за счет флуктуаций магнитного поля земли за миллиарды лет, а потом путем ошибок в многократном копировании, которое естественным образом происходит в компьютерах, появились все остальные программы.

[evgeniirudnyi.livejournal.com]

Однако на этом пути вредных мутаций по-прежнему будет гораздо больше. Ведь то, что показано, это по сути дела вредная мутация. Поэтому совершенно непонятно, что в данном случае биологи хотят сказать.

[egovoru.livejournal.com]

Эта мутация, вредная для обычных ящериц, оказалась полезной для предков змей и привела (в совокупности со многими другими, конечно) к появлению нового подотряда пресмыкающихся с уникальным образом жизни. Считается, что предпосылкой для этого изменения направления отбора стал норный образ жизни: в узкой норе лапами не очень-то попользуешься.

[skogar.livejournal.com]

Я знаю очень простое решение за биологов: всё непонятное списать на абиогенез, за который они не отвечают, ибо не их область. А дальше - всё прямым путём: организмы понемногу портятся и так и изменяются.

[greygreengo.livejournal.com]

Правильно ли поступят мыши, обреченные жить мутантами во вселенной 25 или же правильно поступят контрольные мыши оказавшиеся в той же вселенной мы узнаем если проведем соответствующие серии экспериментов. Кто его знает, вдруг добавочные ребра приведут к тому, что мыши станут более по другому заниматься сексом, и , как следствие, это приведет к совсем другой морали мышиного общества, чем общество на основе нормальных мышей в экспериментах Колхауна.
Вы утверждаете - вот нетривиальный факт из генетики, своего рода "черный лебедь", но сказав А (вернее Hox10) не говорите, в какую сторону это А приведет мышиную популяцию в нормальных условиях. Это переводит ваши рассуждения в разряд прогрессорских спекуляций, ну прямо по Стругацким. Но с мышами.

ЗЫ - А правда ли что Маркс и Энгельс - ученые?
- Нет, ученые сначала бы на мышах опробовали!

[egovoru.livejournal.com]

В данном случае речь вообще не о мышах, а о змеях - а именно, мы пытаемся ответить но вопрос, каким образом змеи приобрели свой столь необычный для наземных позвоночных план строения, за счет каких конкретных мутаций?

В идеале гипотезу о том, что именно эта мутация отвечает за поясничные ребра змей нужно было бы проверять, "исправив" ее в самой змее и помотрев, что получится. Проблема, однако, в том, что для змей методы генетической модификации разработаны пока очень слабо, а для мышей - очень хорошо. А перенос на змей сведений, полученных на мышах, оправдан тем, что эти Hox гены - общие не только для змей и мышей, но и вообще для всех многоклеточных животных, даже беспозвоночных.

[urologe.livejournal.com]

Откровенно говря, не знаю. Лучше спросить его самого. У меня такое впечатление, что он рассматривает гипермутагенез как противопоставление спонтанному мутагенезу, но какое отношение это имеет к вами высказанной мысли о мутациях консервативных генов, я не понял.

[egovoru.livejournal.com]

Скорее всего, он просто не до конца продумал свой вопрос - вряд ли стоит раскапывать это. Я уже объяснила ему, что не вижу тут никакой связи - думаю, этого достаточно.

[urologe.livejournal.com]

Наверное, определённая связь с эволюцией таки имеется. Кто быстрее мутирует, тот быстрее адаптируется, а кто не успел адаптироваться, тот вымер, как вымерли, например, динозавры. В отличие от вирусов, сопровождавших всё живое миллионы лет.
Но в контексте вашего рассказа о конкретном гене, да, роли не играет.

[egovoru.livejournal.com]

Разумеется, частота мутагенеза сама по себе - важный адаптивный фактор, обеспечивающий преимущество в быстро меняющихся условиях среды. Не случайно же существуют механизмы, увеличивающие ее в стрессовых условиях! Но к разбираемому здесь примеру это не имеет никакого отношения.

[yoginka.livejournal.com]

Спасибо, не знала об этом механизме, интересно. Но это только усугубляет проблему, и все вопросы остаются на месте.
Не удивительно, что ничтожно малое изменение кода может приводить к сильному изменению работы "программы". Причем в любую сторону, начинаю от полной поломки до радикального повышения эффективности.
Но... Все это верно для изначально сложного кода. В простом коде нет места для таких эффектов. Описанный Вами механизм лишний раз свидетельствует в пользу этой изначальной сложности. И остается проблема ее появления.

[egovoru.livejournal.com]

Мне кажется, мы уже достаточно обсуждали проблему появления биологической сложности, разве нет? Я хочу сказать, что, имея один самовоспроизводящийся организм, довольно просто представить себе, каким образом может происходить его усложнение: сначала дупликация генов, потом их дифференциация и т.д.

А описанный в этом посте общий принцип, по-видимому, широко распространен: скажем, как произошло очень важное эволюционное событие - появление многоклеточности? Да точно так же: за счет сбоя нормального процесса расхождения дочерних клеток после деления :)

[skogar.livejournal.com]

-- не знала об этом механизме, интересно.

На самом деле интересно, т.е. мне тоже. Но пришла эволюция и всё опошлила :)

[urologe.livejournal.com]

Настолько возможны, насколько возможно предсказание самоорганизации материи из хаоса.

[egovoru.livejournal.com]

Боюсь, я не поняла, возможность чего Вы имеете в виду?