Избыточность регуляторных сетей делает развитие помехоустойчивым

Рис. 1. Эмбрионы червя Caenorhabditis elegans, окрашенные таким образом, что в них видны ядра клеток (синие пятна), а также молекулы матричной РНК, считанные с гена elt-2 — ключевого регулятора развития кишечника (сиреневые точки). Слева — нормальные эмбрионы, справа — мутанты, у которых ген elt-2 работает нестабильно. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

Изучение регуляторного каскада, управляющего развитием кишечника у червя Caenorhabditis elegans, позволило понять, почему некоторые мутации даже у генетически идентичных особей, развивающихся в одинаковых условиях, иногда проявляются в фенотипе, а иногда нет. Мутации одних генов-регуляторов могут приводить к хаотическим колебаниям активности других, что ведет к непредсказуемым последствиям на уровне фенотипа. Кажущаяся «избыточность» генно-регуляторных систем, по-видимому, повышает помехоустойчивость индивидуального развития организмов.

Строгое и однозначное соответствие между изменениями генотипа (мутациями) и изменениями фенотипа в природе встречается не так уж часто. Генотип определяет не фенотип как таковой, а «норму реакции», то есть определенный спектр возможных фенотипов, которые могут быть реализованы при данном генотипе. «Выбор» конкретного фенотипа часто зависит от условий, в которых происходит развитие организма (см.: Выведена гусеница, меняющая цвет при нагревании, «Элементы», 09.02.2006). Однако бывает и так, что даже генетически идентичные особи, развивающиеся в абсолютно одинаковых условиях, всё равно оказываются разными. Это свидетельствует о наличии стохастической составляющей в «программе» индивидуального развития, записанной в геноме. О возможной эволюционной роли случайной фенотипической изменчивости при неизменном геноме мы рассказывали в заметке Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам («Элементы», 13.07.2009).

Одно из ярких проявлений этой хаотичности — так называемая неполная пенетрантность многих вредных мутаций. Суть этого явления, замеченного еще в 1925 году Н. В. Тимофеевым-Ресовским и Д. Д. Ромашовым, состоит в том, что одна и та же вредная мутация у одних особей проявляется в фенотипе, а у других нет. Как правило, это зависит от условий среды и от «генетического контекста», то есть от других генов в геноме (что неудивительно), но даже с поправкой на оба эти фактора некоторые мутации всё равно имеют нестабильный фенотипический эффект.

Молекулярные механизмы неполной пенетрантности остаются во многом неясными. Изучение этого явления осложняется тем, что генно-регуляторные системы, управляющие индивидуальным развитием, у большинства животных очень громоздки и, на первый взгляд, избыточны. Входящие в их состав гены связаны сложнейшей сетью взаимодействий, содержащей многочисленные петли положительных и отрицательных обратных связей, так что понять, где именно в этой паутине возникает непредсказуемость, очень трудно.

Идеальный объект для подобных исследований — круглый червь Caenorhabditis elegans, у которого генетическая регуляция развития предельно упрощена, как, впрочем, и само развитие (см.: Развитие червей начинается с хвоста, «Элементы», 23.11.2006).

Биологам из Массачусетского технологического института и Принстонского университета (США) удалось выяснить причины неполной пенетрантности нескольких мутаций гена skn-1. Эти мутации приводят (или не приводят, так как пенетрантность неполная) к тому, что потомки бластомера E, которые должны стать клетками кишечника (рис. 2), остаются недифференцированными, и кишечник у эмбриона не формируется.

Рис. 2. «Родословная» клеток кишечника в развитии эмбриона C. elegans. Кишечник взрослого червя состоит из 20 клеток. Все они являются потомками бластомера E, который, в свою очередь, происходит от бластомера EMS, а тот — от P1. Бластомер P1 образуется в результате первого деления оплодотворенной яйцеклетки (P0). «Братом» бластомера EMS является бластомер P2, о котором рассказано в заметке Развитие червей начинается с хвоста («Элементы», 23.11.2006). Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Роль главного «переключателя» в развитии клеток кишечника играет ген elt-2. Он активирует сотни других генов, необходимых для превращения бластомеров в кишечные клетки. Чтобы сам ген elt-2 своевременно включился, требуется наличие белковых продуктов генов end-3 и end-1. Эти гены, в свою очередь, активируются геном skn-1, причем активация осуществляется как напрямую, так и опосредованно, через ген med-1/2 (рис. 3).

Рис. 3. Регуляторный каскад, приводящий к включению гена elt-2 в клетках будущего кишечника. Ген skn-1 (точнее, белковый продукт этого гена) активирует гены med-1/2, end-3 и end-1. Два последних гена активируют ген elt-2, который, в свою очередь, включает сразу сотни генов, необходимых для превращения бластомеров в клетки кишечника. Несмотря на крайнюю простоту этого регуляторного каскада (по сравнению с тем, что наблюдается у других животных), в нём много «избыточности»: активация одного и того же гена осуществляется не одним, а несколькими параллельными путями. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Известно несколько мутаций гена skn-1, ведущих к нарушению развития кишечных клеток. Все эти мутации в гомозиготном состоянии летальны (смертельны), и в этом смысле пенетрантность у них стопроцентная. Однако у некоторых мутантных эмбрионов перед смертью формируется нормальный кишечник, а у других — нет. В этом отношении пенетрантность у данных мутаций неполная.

Чтобы выяснить причины неполной пенетрантности, авторы воспользовались новым методом флюоресцентной окраски молекул РНК, который они сами недавно изобрели (Raj et al., 2008). Метод позволяет увидеть и даже подсчитать молекулы матричной РНК (мРНК), считанные с определенного гена. Каждая отдельная молекула мРНК становится видна как светящаяся точка (рис. 1). Это дает уникальную возможность определять уровень активности гена в индивидуальных клетках.

Оказалось, что у эмбрионов с мутантным геном skn-1 в клетках — потомках бластомера E ген med-1/2 не включается вовсе, а ген end-3 работает очень слабо. Что касается гена end-1, то его активность становится непредсказуемой. В норме этот ген на определенной стадии развития эмбриона начинает работать в клетках, которые должны стать кишечником, причем уровень его активности во всех этих клетках примерно одинаков. У мутантных эмбрионов end-1 начинает работать в разных клетках с разной силой, а в некоторых не включается вовсе, так что общая картина получается весьма хаотичной.

Этот хаос на следующем этапе регуляторного каскада приводит к одному из двух альтернативных результатов: либо ген elt-2 включается, и тогда клетки превращаются в кишечник, либо elt-2 остается выключенным, и тогда кишечник не формируется. Как выяснилось, выбор одного из двух исходов зависит от того, достигнет ли активность end-1 определенного порогового уровня. Однако и тут сохраняется доля неопределенности. Если активность end-1 ниже пороговой, elt-2 точно не включится и кишечника не будет. Если же активность end-1 выше пороговой, то это еще не гарантирует включения elt-2: он либо включится, либо нет. Раз включившись, elt-2 уже будет работать нормально, сколько ему положено, потому что этот ген активирует сам себя (рис. 3).

Хаос, возникающий в работе гена end-1, объясняется отсутствием должной регуляции со стороны гена end-3. Если вывести из строя ген end-3, то результаты получаются примерно такие же, как и при мутациях skn-1, то есть ген end-1 начинает работать хаотично, а ген elt-2 либо включается, либо нет. Если же вывести из строя end-1, то при нормально работающих skn-1 и end-3 никакой неполной пенетрантности не возникает и кишечник формируется у всех эмбрионов.

Таким образом, в норме elt-2 включается благодаря согласованному действию двух регуляторов: end-3 и end-1, причем эти регуляторы отчасти взаимозаменимы. Если выйдет из строя end-1, то нормально работающий end-3 справится с задачей самостоятельно и включит elt-2 в положенное время. Если же забарахлит end-3, то работа end-1 дестабилизируется, но всё же он сумеет включить elt-2 хотя бы у некоторых эмбрионов.

Рис. 4. Активность генов — участников регуляторного каскада, показанного на рис. 3, у нормальных эмбрионов (левые графики) и у эмбрионов с мутантным геном skn-1 (правые графики). Названия генов указаны справа. По горизонтальной оси отложены стадии развития эмбриона, которые определялись по числу клеточных ядер. Четыре верхние пары графиков показывают число молекул мРНК, считанных с соответствующего гена, во всём эмбрионе. Две нижние пары графиков показывают число клеток эмбриона, в которых данный ген активен. Видно, что у мутантных эмбрионов по сравнению с нормальными работа гена end-1 резко дестабилизируется. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Полученные результаты позволяют предположить, что кажущаяся «избыточность», характерная для большинства генно-регуляторных каскадов, управляющих развитием эмбриона, обеспечивает стабильность (помехоустойчивость) развития. Благодаря этой избыточности выход из строя отдельных регуляторов (в результате мутаций или неблагоприятных условий среды) может быть скомпенсирован оставшимися элементами регуляторного каскада по крайней мере у некоторых зародышей. «Случайный шум», который может при этом возникнуть в работе каскада, позволяет одним зародышам развиваться нормально, в то время как другие зародыши с точно таким же геномом могут приобрести какие-то новые фенотипические признаки. Скорее всего, это будут несовместимые с жизнью уродства, но вероятность появления полезных отклонений тоже ненулевая. В таком случае естественный отбор в дальнейшем будет закреплять у потомков этих «перспективных уродов» такие мутации, которые сделают новый путь развития более стабильным. В итоге этот новый путь окажется «вписан» в геном и станет вполне наследственным.

Таким образом, полученные результаты подтверждают принципиальную возможность формирования эволюционных новшеств по схеме «дестабилизация развития — новые фенотипы при старом геноме — генетическая фиксация возникших изменений» (подробнее об этой теоретической модели см. в заметке Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам, «Элементы», 13.07.2009).

Источник: Arjun Raj, Scott A. Rifkin, Erik Andersen, Alexander van Oudenaarden. Variability in gene expression underlies incomplete penetrance // Nature. 2010. V. 463. P. 913–918.

См. также:
1) Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам, «Элементы», 13.07.2009.
2) Белок Hsp90 контролирует активность мобильных генетических элементов, «Элементы», 19.01.2010.
3) Выведена гусеница, меняющая цвет при нагревании, «Элементы», 09.02.2006.
4) М. А. Шишкин. Эволюция как эпигенетический процесс (на странице «Эпигенетическая теория эволюции»).

Александр Марков