Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

В некодирующей области длиной в 50 тыс. пар нуклеотидов перед геном svb расположены три энхансера: 7, E и A. Их работа была изучена ранее (о методах поиска энхансеров мы говорили в главе 5 в разделе «Загадка узорчатых крыльев»). Совместное действие энхансеров 7, E и A полностью объясняет распределение областей экспрессии svb в эпидермисе эмбриона: ген включается там, где срабатывает хотя бы один из трех энхансеров.

Казалось бы, ген svb не нуждается ни в каких дополнительных регуляторах, кроме энхансеров 7, E и A. Однако ученые обнаружили, 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 трех регуляторных элементов, известных ранее (см. рисунок).

Как показали генно-инженерные эксперименты, оба теневых энхансера эффективно работают (т. е. включают присоединенный к ним ген там, где должны образоваться щетинки) у тех видов дрозофил, у которых есть щетинки этого типа (D. melanogaster, D. simulans) и не работают (испорчены мутациями) у вида, который в ходе эволюции эти щетинки утратил (D. sechellia). Три «обычных» энхансера у последнего вида тоже не работают.

Зачем нужны «избыточные» энхансеры? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи удалили из генома мух участок, содержащий теневые энхансеры. Это почти не повлияло на развитие щетинок: изменились только мелкие детали их строения. На здоровье личинок это не отразилось вовсе. Тем самым, казалось бы, подтвердилось предположение об избыточности теневых энхансеров. Однако дальнейшие эксперименты показали, что эта «избыточность» имеет важное приспособительное значение: она повышает стабильность эмбрионального развития в неблагоприятных условиях.

Личинки с удаленными теневыми энхансерами развиваются нормально только при температуре, оптимальной для личинок дрозофил (25 °C). Если же понизить температуру до 17 °C или повысить до 32 °C, то щетинки у мутантных личинок развиваются хуже. Ген svb удобен для таких исследований, потому что число щетинок на том или ином участке эпидермиса в точности отражает уровень экспрессии этого гена. Нормальные личинки, из генома которых теневые энхансеры не были удалены, имеют одинаковое количество щетинок при любой температуре от 17 до 32 °C. Дополнительные эксперименты подтвердили, что теневые энхансеры стабилизируют онтогенез, обеспечивая высокий уровень экспрессии гена svb независимо от колебаний температуры.

Нормальный ход развития может быть нарушен не только внешними неблагоприятными воздействиями, но и внутренними — например, мутациями важных регуляторных генов. Могут ли теневые энхансеры защитить работающий ген и от таких помех? Чтобы проверить это, авторы использовали мух, гетерозиготных по мутации, выводящей из строя важнейший регуляторный ген wingless. Ген svb находится под контролем нескольких регуляторных генов, в том числе wingless.

Оказалось, что для мух, у которых одна из двух копий wingless не работает, наличие теневых энхансеров является необходимым условием формирования нормальных щетинок. Если теневые энхансеры удалены, щетинки развиваются значительно хуже. Таким образом, теневые энхансеры обеспечивают устойчивую работу гена svb не только при колебаниях температуры, но и при мутационном повреждении вышестоящего генно-регуляторного каскада.

Регуляторный участок гена svb и области действия энхансеров. a — личинка дрозофилы, вид сбоку. Темным цветом показаны места, где развиваются щетинки. Ген svb управляет развитием одного из типов щетинок, которые занимают на каждом сегменте определенную область. На одном из брюшных сегментов эта область обведена черным контуром. б — расположение энхансеров в регуляторной области гена svb. Серый прямоугольник в правой части схемы — это начало (первый 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 на верхнем рисунке. Для каждого энхансера показан район в пределах этой области, в котором он срабатывает. Из Frankel et al., 2010.