Автогенез на уровне ДНК и хромосом, эволюционно-генетический потенциал и видообразование

Ю. А. Филипченко в свое время высказал мнение, что "в эволюции играли главную роль какие-то внутренние силы, заложенные в самих организмах", а различные внешние силы, — условия среды, отбор — причины второго порядка. Один из источников этих внутренних сил заключается в линейной структуре ДНК и особенностях протекания матричных и генетических процессов, которые создают тенденцию к увеличению размера генома и возрастанию в нем доли разного рода факультативных элементов. Среди них особое значение имеют разные фракции повторенной ДНК и семейства мобильных элементов.

Наращивание доли неинформативной ДНК или ФК элементов основано на ряде автогенетических молекулярных механизмов, таких как: а) способность линейной структуры ДНК реплицировать любой встроенный дополнительный сегмент ДНК, независимо от того, взят он от своего или чужого вида, б) непрерывное образование дупликаций за счет ошибок гомологичной рекомбинации, в) резкое увеличение частоты вторичных дупликаций в данном районе после появления первой случайной, г) приобретение свойства взрывной репликации некоторыми специфическими повторами и, наконец, д) заселение генома разного рода мобильными элементами, включая вирусы, которые имеют специальные структуры и специальные ферменты для транспозиции.

Автогенетическая тенденция к наращиванию длины ДНК, приводя к рассмотренному выше С-парадоксу, проявляется в самых разных филетических линиях и может, в свою очередь, определять направление и особенности макроэволюции (Эволюция генома..., 1986; Бирштейн, 1987; Бердников, 1981, 1990). Неспецифические влияния одной только массы или размера неинформационной ядерной ДНК на физиологические свойства клеток и организмов английский цитогенетик М. Беннет в 70-х годах предложил называть "нуклеотипными".

Репликация и репарация избыточной ДНК в клетке требует значительных энергетических затрат. Это имеет важные морфо-функциональные последствия. Работая с растениями, М. Беннет обнаружил, что масса ДНК пропорционально связана с продолжительностью мейоза, а это, в свою очередь определяет продолжительность генерации. Виды с высоким содержанием ДНК характеризуются замедленным развитием, они встречаются чаще среди многолетников и не могут быть эфемерами. Скопления блоков повторенной ДНК в теломерных районах хромосом ржи задерживает время развития семян, возможна селекция на "сброс" ДНК в этих районах.

Гаплобионтные микроорганизмы достаточно легко манипулируют размерами геномов, регулируя тем самым темп своего размножения и уровень изменчивости. Так, в роде водорослей хламидомонад Chlamydomonas обнаружены следующие сценарии манипуляции геномами: эндополиплоидизация в результате задержки кариокинеза после синтеза ДНК; соматическая гибридизация в ходе вегетативного размножения клеток; утрата зиготической редукции после копуляции гамет; копуляция трех или большего числа гамет; копуляция полиплоидных гамет. При всех этих событиях временно увеличивается размер ядра и понижается относительная доля цитоплазмы. Как справедливо замечают авторы, — "генетический анализ особенностей нуклеотипных изменений ДНК — практически не начатая глава формальной генетики" (Квитко, Чемерилова, 1982, с. 135): При автополоиплоидии у растений простое кратное изменение числа хромосом приводит к глубоким морфо-функциональным изменениям на клеточном и организменном уровне. Совершенно не ясны ключевые этапы этих изменений.

Важное значение факультативной ДНК М. Беннет (1986) усматривает в организации расположения хромосом по отношению друг к другу. В гаплоидном геноме хромосомы упорядочены в соответствии с содержанием ДНК в плечах, вне зависимости от информационного содержания этой ДНК.

Новую главу в этой области открыли многолетние комплексные исследования В. Н. Стегния (1993, 1994) по кариосистематике и эволюционной цитогенетике двукрылых на примере восьми видов-близнецов комплекса Anopheles maculipennis. В течение 15 лет у этих восьми видов изучалась биогеография, экология, репродуктивные связи, тонкое строение хромосом и характер инверсионного и белкового полиморфизма. В. Н. Стегний установил жесткую видоспецифичность организации хромосом в ядрах клеток генеративной ткани (трофоцитах), названной им как архитектоника генома. Этот видовой признак определялся по характеру прикрепления политенных хромосом к ядерной мембране (есть или нет и в каких участках) и по различию по этим показателям у гомологичных хромосом видов-близнецов и их гибридов.

Оказалось, что данный признак облигатно инвариантен у всех особей вида и не зависит, например, от того, есть в данной хромосоме инверсия или нет. В. Н. Стегний относит такие хромосомные реорганизации генома к системным мутациям в смысле Р. Гольдшмидта. Подобные системные мутации лежат в основе сальтационного видообразования, ибо всякая постепенность перехода от одной реорганизации к другой исключается, действует принцип "все или ничего".

На основе комплексного подхода В. Н. Стегнию удалось реконструировать филогению 8 видов и сопоставить хромосомную организацию видов в начале и конце филогенетического пути. Сформулировано важное представление об эволюционном потенциале и лабильном и консервативном геномах. Эволюционным потенциалом к видообразованию, по крайней мере у двукрылых, обладают виды с совершенно определенными особенностями генома: блоки прицентромерного гетерохроматина (составленного обычно из высоко повторенной ДНК и кластеров мобильных элементов), облигатный хромосомный мономорфизм и слабые хромосомно-мембранные связи в интерфазных ядрах клеток генеративной ткани. Виды с эволюционным потенциалом нередко занимают небольшие ареалы и уступают по своей эколого-климатической пластичности процветающим видам.

Процветающие виды двукрылых характеризуются диффузно расположенным участками гетерохроматина, наличием инверсионного полиморфизма и относительно жесткими хромосомно-мембранными связями (Стегний, 1993). Инверсионный полиморфизм может иметь адаптивное значение, но не приводит к видообразованию. Те инверсии, по которым отличаются виды, большей частью уникальны. Это феноменологическое обобщение противоположно той видообразовательной роли, которую приписывали в классической СТЭ полиморфным инверсиям, предполагая, что в малых изолятах они фиксируются и в дальнейшем приводят к дивергенции. Гипотезу о постепенном преобразовании полиморфной системы в мономорфную В. Н. Стегний считает "недостаточно обоснованной, базирующейся на суеверном отношении к ошибочному дарвиновскому принципу: "разновидности суть возникающие виды" (Стегний, 1993, с. 83).

Итог своих многолетних эволюционно–генетических исследований и размышлений В. Н. Стегний (1993) выражает следующим образом: "Видообразование не может рассматриваться как длительный процесс градуальной перестройки генофонда предкового вида. Само понятие "генофонд" целиком относится к полиморфной части генома, тогда как становится ясным, что видообразовательные события затрагивают прежде всего мономорфную (инвариантную) его часть и, самое важное, при этом происходит необратимая реорганизация его регуляторной системы". При этом затрагиваемые инвариантные системы регуляции могут относиться к разным уровням — биохимическому, хромосомному, морфофункциональному (Стегний, 1996).

Системные мутации, затрагивающие архитектонику генома и открытые В. Н. Стегнием в разных группах двукрылых не обязательно связаны с изменением генного состава, или линейной структуры хромосом. Они обнаруживаются и у гомосеквентных видов, т. е. у видов с совершенно одинаковым тонким строением хромосом. В этом смысле системные мутации В. Н. Стегния сходны с так называемыми онкому–тациями, которые постулировал бельгийский зоолог Альбер Дальк (1893–1973). Под онкомутациями А. Дальк понимал "резкие, глубокие радикальные и одновременно жизнеспособные трансформации, возникающие в цитоплазме яйцеклетки, как морфогенетической системы", или же "общее изменение всей ядерной системы" (цит по Назарову 1991, с. 152).

Более общую разработку понятие эволюционного потенциала, учитывающее данные молекулярной генетики и феномен С-парадокса получило в работах В. А. Бердникова (1981, 1990). Кривые распределения числа видов в зависимости от величины генома для любых крупных монофилетических групп имеют резко асимметричный характер. При различии в величине генома в 10–50 и более раз преобладают виды с относительно небольшим геномом, а виды примитивные неспециализированные имеют, как правило, большие геномы. Специализация, радиация видов сопровождаются сбросом ДНК.

В. А. Бердников представляет следующий сценарий связи автогенетических событий с регулярными зафиксированными в палеобиологии и палеогеологии катастрофами. Принимается за постулат, что видообразование связано не с изменением в структурных генах или их числе, а с изменением системы их онтогенетической регуляции (Рэфф, Кофмен, 1986). Характер регуляции генов может определяться изменением генного окружения при разного рода взаимодействиях облигатных и факультативных элементов. Сюда относится и давно установленный эффект положения генов.

Процесс наращивания величины генома, появления избыточных неинформативных блоков повторов, образующих гетерохроматин — имманентное свойство молекулярной генетической системы. Оно ведет к увеличению размеров ядер и клеток, замедлению клеточных процессов, и в более общем плане — к понижению скорости переработки энергии окружающей среды. Это инадаптивные свойства. Однако после очередной геологической (экологической) катастрофы и периода массового вымирания высвобождаются экологические ниши и выжившие виды с большим геномом оказываются эволюционно перспективными.

Отбор в "сторону более эффективного использования свободной энергии экологического пространства" (Бердников В. А., 1981) сопровождается сбросом избыточной факультативной ДНК или изменением ее топографии в геноме. Например, прицентромерные блоки повторов могут быть разнесены по геному при транспозициях мобильных элементов. Подобные процессы ведут к эффекту положения и к изменению в системах генной регуляции. Меняется характер протекания процессов морфогенеза, параметры аллометрического роста, что в конечном счете ведет к видообразовательным событиям. Разные варианты подобного сценария с учетом закономерностей онтогенеза рассмотрены Л. И. Корочкиным (1983, 1999). В его опытах показано, что эффект положения, связанный с перераспределением гетерохроматина, приводит у близких видов к изменению систем пространственно-временной регуляции генов типа гетерохронии.

Важное макроволюционное значение имеют такие варианты гетерохронии, когда происходит рассогласование во времени развития соматических признаков и половой системы. При неотении или педоморфозе размножение становится возможно на более ранних стадиях развития и утрате вообще взрослой стадии. Это явление достаточно широко распространено в эволюции животных, особенно у земноводных. Превращение аксолотля во взрослую форму с помощью добавления гормона тироксина показало, что столь глубокая трансформация может зависеть от мутации одного ключевого гена (см. обсуждение Рэфф, Кофман, 1986).

А. Л. Тахтаджян (1983, 1991, 1998) показал большую роль неотениии в морфологической эволюции многих высших таксонов растений и появлении новых органов (например, мужского и женского гаметофита цветковых). Он же выдвинул принцип гетеробатмии или "разноступенчатости" в скорости эволюционных преобразований разных органов. Многие трансформации в морфологической в эволюции растений могли произойти только за счет сальтаций или регуляторных мутаций на ранних стадиях, меняющих число зачатков (примордиев).

Активация мобильных элементов, их транспозиции способны привести к появлению новых генных конструкций. Такая новая генная конструкция была обнаружена в природных популяциях дрозофил в период изучения глобальной вспышки мутабильности по гену singed. Два независимых гена, один из которых затрагивает репродуктивную систему и морфологию щетинок, а другой — строение крыльев, оказались под контролем одного транспозона и стали совместно проявляться и мутировать. Это первый, обнаруженный в природе случай естественной генетической инженерии на основе мобильных элементов (Голубовский, Захаров, 1979; Голубовский, 1985; Golubovsky, 1980, 1995).

Таким образом, взаимодействие облигатного и факультативного элементов может приводить к трем типам реорганизаций систем регуляции: 1) нуклеотипные изменения, 2) эффект положения и гетерохронии и 3) новые генные конструкции. Во всех этих случаях сальтационно возникают события видообразовательного уровня.

Концепция сальтационного видообразования за счет системных мутаций или макромутаций долгое время наталкивалась на следующее возражение. Подобные изменения имеют мало шансов распространиться, ибо возникают единично. Открытие инсерционного мутагенеза сняло это возражение. Оказалось, что транспозиции мобильных элементов, приводящие к множественным мутационным событиям, как правило (!) происходят на самых ранних стадиях онтогенеза и ведут к появлению ''пучков" мутантов в половых клетках и соответственно множеству мутантных форм в потомстве одной ocoби (Golubovsky, Ivanov, Green, 1977; Голубовский, Захаров, 1979).

Например, при генетическом анализе инсерционных нестабильных аллелей гена singed у дрозофилы мною зафиксирован удивительный случай 100% кластерного появления "мутационных монстров" в потомстве за счет транспозиционного множественного мутагенеза в инициальной стволовой клетке зародышевого пути. Остановлюсь на этом чуде, моделирующем появление уродцев Гольдшмидта, чуть подробнее. Видимой мутацией, возникающей повторно в наших опытах, была мутация furrovjed (fw) — горбатые слабо жизнеспособные мухи с глубокой бороздой на тораксе и деформированными макрохетами. Она возникала в потомстве Х-хромосомы с нестабильной мутацией по гену singed, sn63–15 (аллель крючковидные щетинки). В одном из скрещиваний все потомство самца sn63–15 несло реверсию в гене sn и одновременно было мутантным по гену furrowed.

Это событие было вызвано, по всей видимости, транспозицией мобильного элемента на самых ранних стадиях развития: вырезанием его из гена sn и одновременным его внедрением в ген fw. Сие чудо, когда все потомство одного самца несло мутацию-уродца, снимает обычное возражение Р. Гольдшмидту, а с кем же будет размножаться макромутант? С самим собой, если возникает пучком при инсерционном мутагенезе! (Голубовский, Ерохина, 1977). Эти модельные опыты могут служить генетическим доводом в пользу крылатой фразы палеонтолога-сальтациониста Отто Шиндевольфа (1896–1971): "Первая птица вылетела из яйца амфибий" (цит. по Корочкин, 1999, с. 239).