Работа многих генов, управляющих развитием эмбриона, контролируется «теневыми» энхансерами — дополнительными регуляторными элементами, функция которых на 1-ый взгляд кажется излишней, потому что они дублируют действие основных регуляторных частей («обычных» энхансеров).
На примере гена svb, управляющего развитием щетинок у личинок дрозофилы, удалось показать, что теневые энхансеры являются
Работа многих генов, управляющих развитием эмбриона, контролируется «теневыми» энхансерами — дополнительными регуляторными элементами, функция которых на 1-ый взгляд кажется излишней, потому что они дублируют действие основных регуляторных частей («обычных» энхансеров).
На примере гена svb, управляющего развитием щетинок у личинок дрозофилы, удалось показать, что теневые энхансеры являются «лишними» только в не плохих аспектах. При температурном стрессе и при мутациях «вышестоящих» регуляторных генов теневые энхансеры обеспечивают стабильность работы подконтрольного гена, тем придавая индивидуальному развитию помехоустойчивость.
Работа теневого энхансера Z на 2-ух стадиях эмбрионального развития Drosophila melanogaster. Чтобы выявить клетки эмбриона, в каких «срабатывает» энхансер, в геном мухи был добавлен ген бета-галактозидазы, соединенный с энхансером Z. Те участки эпидермиса, в каких энхансер сработал, выявлялись при помощи антител к бета-галактозидазе.
Об открытии теневых энхансеров и об их эволюционной роли поведано в заметке Эволюция регуляторных последовательностей ведет к эволюции видов («Элементы», 17.09.2008). Напомним, что энхансеры — это некодирующие регуляторные участки ДНК, располагающиеся, обычно, недалеко — в границах нескольких 10-ов тысяч пар нуклеотидов (п.н.) — от начала контролируемого ими гена. Энхансеры содержат места прикрепления (сайты связывания) регуляторных белков — транскрипционных обстоятельств. Прикрепляясь к энхансерам, транскрипционные предпосылки усиливают или ослабляют активность (экспрессию) соответствующего гена.
Теневые энхансеры характерны для многих генов, управляющих эмбриональным развитием. Они располагаются значительно дальше от начала контролируемого гена, чем «обычные» энхансеры, но функции делают те же самые. Теневой энхансер обычно «срабатывает» (другими словами включает свой ген) в тех же клетках эмбриона и в то же время, что и основной энхансер. Такая избыточность генной регуляции, по-видимому, способствует эволюционным преобразованиям. В теневых энхансерах мутации накапливаются значительно быстрее, чем в основных (подробнее см. в вышеупомянутой заметке). Дублирование регуляторных участков ДНК дает возможность «избыточным» участкам более свободно накапливать мутации — точно так же, как это происходит в случае дупликации целых генов (см.: Многофункциональные гены — база для эволюционных новшеств, «Элементы», 30.06.2008).
Вобщем, наличие теневых энхансеров у многих генов — регуляторов эмбрионального развития нельзя объяснить только тем, что они дают больше свободы для эволюционных преобразований. Естественный отбор не умеет заглядывать в так отдаленное будущее. Теневые энхансеры должны делать какую-то полезную функцию здесь и сейчас, по другому они бы быстро разрушились под грузом мутаций и не встречались бы с таким постоянством около генов — регуляторов онтогенеза.
Выяснить эту функцию удалось американским и французским генетикам в процессе исследования гена svb (shavenbaby), который управляет формированием щетинок у личинки дрозофилы. Название гена, означающее в переводе «бритый младенец», показывает, что происходит, если ген выходит из строя. Регуляторная область гена svb интегрирует «входные сигналы» от нескольких генно-регуляторных каскадов. В конечном итоге совместного деяния нескольких транскрипционных обстоятельств, связывающихся с расположенными в этой области энхансерами, ген svb врубается в тех клетках эмбрионального эпидермиса, которые должны дать начало щетинкам.
В некодирующей области длиной в 50 тыс. п.н. до гена svb расположены три энхансера (их условные обозначения: 7, E и A). Их работа была изучена ранее (о методах поиска энхансеров и выявления их функций поведано в заметке Генетические механизмы формирования сложных признаков умеренно проясняются, «Элементы», 14.04.2010; в обсуждаемой работе применялись схожие методы). Оказалось, что совместное действие энхансеров 7, E и A полностью объясняет распределение областей экспрессии гена svb в эпидермисе эмбриона: ген врубается там, где срабатывает хотя бы один из 3-х энхансеров.
Регуляторная область гена svb и области деяния энхансеров. a — личинка дрозофилы, вид с боковой стороны. Темным цветом показаны места, где развиваются щетинки. Ген svb управляет развитием 1-го из типов щетинок, которые занимают на каждом секторе определенную область. На одном из брюшных частей эта область обведена красным. b — размещение энхансеров в регуляторной области гена svb. Желтый прямоугольник в правой части схемы — это начало (1-ый экзон) кодирующей части гена svb. Левее находятся три «обычных» энхансера (7, E, A), еще левее — два «теневых» энхансера (Z, DG2). Фигура, нарисованная под каждым энхансером, соответствует области формирования щетинок, которая обведена красным на верхнем рисунке. Для каждого энхансера показан район в границах этой области, в каком данный энхансер «срабатывает». Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Казалось бы, ген svb не нуждается ни в каких дополнительных регуляторах, не считая энхансеров 7, E и A. Но создатели отыскали, что у него есть два теневых энхансера, расположенных на большем удалении от кодирующей части гена. Эти энхансеры получили название DG2 и Z. Функция новооткрытых энхансеров полностью перекрывается с функцией 3-х регуляторных частей, известных ранее (см. рисунок).
Создатели проявили, что оба теневых энхансера отлично работают (другими словами включают присоединенный к ним ген там, где должны образоваться щетинки) у тех видов дрозофил, у каких есть щетинки этого типа (D. melanogaster, D. simulans) и не работают (испорчены мутациями) у вида, который в процессе эволюции утратил эти щетинки (D. sechellia). Три «обычных» энхансера у последнего вида тоже не работают.
Зачем нужны «избыточные» энхансеры? Чтобы ответить на этот вопрос, создатели удалили из генома мух участок ДНК, содержащий теневые энхансеры. На рисунке этот удаленный кусочек обозначен 2-мя голубыми треугольничками; над ним написано «Df(X)svb108» — так назвали генно-модифицированную линию мух.
Удаление теневых энхансеров фактически не повлияло на развитие щетинок: поменялись только мелкие детали их строения. На здоровье личинок это не отразилось совершенно. Тем, казалось бы, подтвердилось предположение об «избыточности» теневых энхансеров. Но следующие опыты показали, что избыточность генной регуляции в данном случае имеет принципное приспособительное значение: она наращивает стабильность (помехоустойчивость) эмбрионального развития в неблагоприятных аспектах.
Личинки с удаленными теневыми энхансерами, как выяснилось, развиваются нормально только при температуре, неплохой для личинок дрозофил (около 25°C). Если же понизить температуру до 17 или повысить до 32°, то щетинки у мутантных личинок развиваются ужаснее. Создатели отмечают, что ген svb очень комфортен для таких исследований, потому что число щетинок на том или ином участке эпидермиса в точности отражает уровень экспрессии этого гена. Обыденные личинки, из генома которых теневые энхансеры не были удалены, имеют неразнообразное количество щетинок при хоть какой температуре от 17 до 32°. Многочисленные дополнительные опыты подтвердили вывод о том, что теневые энхансеры стабилизируют онтогенез, обеспечивая достаточно высокий уровень экспрессии гена svb независимо от колебаний температуры.
Обыденный ход развития может быть нарушен не только внешними неблагоприятными воздействиями, такими как температурные колебания, ну и внутренними — например, мутациями принципных регуляторных генов. Могут ли теневые энхансеры «защищать» работающий ген и от таких помех? Чтобы проверить это, создатели использовали мух, гетерозиготных по мутации, выводящей из строя принципиальный регуляторный ген wingless (см. об этом гене в заметке Генетические механизмы формирования сложных признаков умеренно проясняются, «Элементы», 14.04.2010). Ген svb находится под контролем нескольких регуляторных генов, в том числе wingless.
Оказалось, что для мух, у каких одна из 2-ух копий wingless не работает, наличие теневых энхансеров является необходимым условием формирования обыденных щетинок. Если теневые энхансеры удалены, щетинки развиваются значительно ужаснее.
Таким образом, теневые энхансеры обеспечивают устойчивую работу гена svb не только при колебаниях температуры, ну и при мутационном повреждении «вышестоящего» генно-регуляторного каскада.
Теневые энхансеры с «избыточными» функциями обнаружены в окрестностях многих генов — регуляторов развития не только у дрозофил, ну и у мышей. Очень может быть, что это общее свойство данной группы генов у всех животных. Адаптивное (приспособительное) значение высокой помехоустойчивости онтогенеза очевидно. Поэтому отбор, обычно, должен способствовать закреплению мутаций, ведущих к росту независимости результатов развития от возмущающих воздействий. По-видимому, появление дополнительных энхансеров (например, в конечном итоге дупликации регуляторных участков ДНК) является одним из более «легких» (вероятных) путей награды этой цели.
Интересно, что побочным эффектом стабилизации онтогенеза может стать рост эволюционной пластичности. В нестабильных аспектах отбор способствует формированию дополнительных энхансеров. Но в стабильных подходящих аспектах эти энхансеры оказываются «лишними» и могут относительно свободно накапливать мутации. Если условия снова станут неблагоприятными, произошедшие в энхансерах конфигурации могут привести к дестабилизации онтогенеза и появлению каких-нибудь новых признаков (см.: Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам, «Элементы», 13.07.2009). Понятно, что конфигурации регуляторных последовательностей, управляющих работой генов — регуляторов развития, взаправду играют главную роль в эволюции животных (см.: Чтение генома опоссума доказало главную роль транспозонов в эволюции млекопитающих, «Элементы», 13.05.2007). Поэтому новые факты, обнаруженные создателями обсуждаемой статьи, могут оказаться очень необходимыми для понимания эволюции животных.
Разумеется, теневые энхансеры — далеко не единственный механизм роста помехоустойчивости онтогенеза. Этой же цели могут служить, например, контуры отрицательной обратной связи в генно-регуляторных сетях (Н. А. Колчанов, В. В. Суслов. Кодирование и эволюция трудности био организации), спец белки-шапероны (Белок Hsp90 контролирует активность мобильных генетических частей, «Элементы», 19.01.2010) и микро-РНК (Li et al., 2009. A MicroRNA Imparts Robustness against Environmental Fluctuation during Development).
Александр Марков
Похожие статьи:
