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

[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]

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".

[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]

"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.

[egovoru.livejournal.com]

Да, именно это, как я понимаю, и есть магистральный путь морфологического усложнения - он отчетливо прослеживается как в нашей эволюционной ветви хордовых, так и в других ветвях - например, членистоногих.

[skogar.livejournal.com]

То, что Вы пишете, означает, что в более ранних организмах была заложена фантастическая способность трансформироваться в нечто живучее в результате ошибок копирования. Т.е. тогда эволюционистам надо искать не только то, как возникло самовоспроизведение, но гораздо большее, особенно если ещё и верить в общего предка всего живого.

[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.

[egovoru.livejournal.com]

Не знаю, что Вы имеете в виду под "фантастической способностью трансформироваться". Дело тут в другом: мутации, вредные в одних условиях, становятся послезными в других. Мутация, описанная в посте, вредна для обычных ящериц, бегающих по поверхности, но полезна для тех, кто перешел к норному образу жизни, потому что в узкой норе ноги становятся не нужны.

В том же, что все живое на Земле произошло из единого корня, сегодня никто не сомневается - уж слишком похожи все фундаментальные молекулярно-биологические процессы у всех живых организмов. Многократное же независимое их происхождение представляется очень маловероятным.

[egovoru.livejournal.com]

Да, именно так :) Только я бы не назвала это "портятся": не всякое изменение - обязательно порча.

[skogar.livejournal.com]

Похоже, это первый для меня случай, когда биолог так явно выражает эту мысль :) Вообще-то это большой мировоззренческий слив - про всяких общих предков и т.п., если только естественно развить эту мысль и дальше. Видимо предыдущие биологи это понимали и стеснялись говорить так прямо.

[skogar.livejournal.com]

-- В том же, что все живое на Земле произошло из единого корня, сегодня никто не сомневается - уж слишком похожи все фундаментальные молекулярно-биологические процессы у всех живых организмов.

Не никто, хотя бы потому что я - даже не сомневаюсь, а просто совершенно в это не верю.
Схожесть - конечно, аргумент, но и люди пользуются похожими деталями для создания очень разных вещей.

[nsela.livejournal.com]

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

[egovoru.livejournal.com]

Не стоит принимать мое личное мнение за мнение всех биологов - я профессионально далека от этих проблем и потому не в курсе последних достижений в них. Я хочу сказать, существует обширная литература и по предбиотической эволюции, просто я с ней очень слабо знакома.

Но даже если мы примем ту позицию, что происхождение самовоспроизводящихся полинуклеотидов нам совершенно непонятно, то эта ситуация в биологии ничем не отличается от, например, ситуации в космогонии: у нас есть неплохая модель эволюции Вселенной после Большого взрыва, но никто не знает, что было до него, и что, собственно, представляет собой сам Большой взрыв. Мы просто называем это "сингулярностью".

"это большой мировоззренческий слив - про всяких общих предков"

Не знаю, что Вы имеете в виду? Общность предка всей клеточной жизни вытекает просто из сходства всех геномов.

[skogar.livejournal.com]

Все говорят только за себя, это совершенно нормально. Но это кое-что проявляет :)

Да, такая же непонятная сингулярность; значит, дальше на сцене видимо возникнут струны и суперструны :)

-- Не знаю, что Вы имеете в виду? Общность предка всей клеточной жизни вытекает просто из сходства всех геномов.

Если вытекает, то и докажите - предъявите конкретную аргументацию.

[ivanov-petrov.livejournal.com]

Насчет первого случая... Шмальгаузен книгу написал о том, что подавляющее большинство точечных мутаций проявляются в снижении жизнеспособности и тем самым являются вредными. Это более чем классика. какой уж там первый раз...

[skogar.livejournal.com]

Вы не поняли: первый раз (для меня!), когда всё непонятное и необъяснимое валим на абиогенез, а что там с ним - хоть трава не расти, "не наша область".

[urease.livejournal.com]

Верю или не верю - неправильный ответ

"Не знаю" - вот правильный научный ответ

[evgeniirudnyi.livejournal.com]

Видите, ваши рассуждения не согласуются с тем, что говорят палеонтологи. Из того, что вы говорите, следует, что скорость эволюции должна быть постоянной. Однако это далеко не так.

[egovoru.livejournal.com]

"я - даже не сомневаюсь, а просто совершенно в это не верю"

Но ведь подобные вопросы не решаются общенародным голосованием, правда? Так что, боюсь, Ваше мнение, как мнение человека, очень поверхностно знакомого с предметом, вряд ли имеет большой вес :)