Genes and characters

С первых дней менделевских исследований в биологии утекло много воды, когда менделевские факторы жестко приравнивались к менделизирующим признакам, когда признавались только два состояния данного гена, причем доминантное должно было представлять его наличие, а рецессивное — его отсутствие, и когда все мутации и все менделевские гены, предполагалось, должны были иметь значительные и очевидно прерывистые эффекты.
Ценное резюме современного мировоззрения, которое рассматривает некоторые аспекты проблемы более полно, чем это возможно в одной главе, дано Фордом в небольшой книге «Менделизм и эволюция» (1934).
В настоящее время понятие менделевских признаков отброшено (см., например, Sinnott and Dunn, 193А, стр. 301). Этот термин может иногда служить полезным фрагментом стенографической записи, но на самом деле это ложное представление. Во-первых, один ген может влиять на ряд признаков, явление, известное как плейотропизм. Грюнеберг (1938) в своем поучительном анализе указывает, что плейотропные эффекты могут быть реализованы тремя различными способами. Во-первых, ген может оказывать непосредственное влияние на два или более различных процесса. Пример эффекта ряда белых аллеломорфов цвета глаз у дрозофилы, которые также оказывают влияние на форму сперматеки, вероятно, является примером этой категории. Во-вторых, ген может оказывать непосредственное влияние на один процесс, но в самых разных местах и условиях. Это справедливо для основного действия гена, изученного Грюнебергом (1938) у крыс, который вызывает гиперплазию и аномальный рост хрящей в ребрах, трахее и в других местах. Другой и еще более поразительный случай — это множество аномалий в таких различных органах, как глаза и ноги, обнаруженных у одной из линий мышей, которые, как показал Бонневи (1934), обусловлены изменением одного механизма развития, а именно возникновением эмбриональных пузырьков жидкости на определенной стадии эмбрионального развития.
Однако наиболее интересные для нашей цели примеры относятся к третьей категории косвенных эффектов. Ген оказывает первичное прямое воздействие, которое затем вызывает многочисленные вторичные эффекты. Ген Грюнеберга у крыс имеет гиперпластическую аномалию хряща в качестве основного эффекта. Но среди вторичных эффектов можно выделить такие разнообразные «признаки», как эмфизема, гипертрофия правого желудочка, закупорка ноздрей, неполностью окклюзированные резцовые зубы.
Уоддингтон (1941а) указывает, что некоторые онтогенетические события действуют как «эпигенетические кризисы», в том смысле, что весьма незначительные изменения их течения оказывают значительное влияние на ряд признаков. Таким образом, изменения в сокращении куколки дрозофилы связаны с мутантными признаками ног, крыльев, щетины и т. д.
Не менее хорошим примером является порода кудрявых птиц (стр. 118). Здесь основной эффект полностью распространяется на перья; в качестве вторичного эффекта результирующей аномальной потери тепла мы обнаруживаем (в умеренном климате) выраженное увеличение щитовидной железы и надпочечников, субнормальную температуру тела и значительное увеличение потребления пищи.
Такие вторичные эффекты являются прекрасными примерами того, что Дарвин называл «коррелированными признаками», которые могут иметь большое эволюционное значение (стр. 188, 206, 533).
Более того, любой данный признак представляет собой конечный результат взаимодействия большого числа генов с окружающей средой во время развития и не наследуется как таковой. То, что исследуется в любом генетическом эксперименте, является унаследованной основой ( то есть генами) для постоянного различия признаков. Таким образом, можно сказать, что различие признаков наследуется менделевским образом (генами), в то время как признак не может, но даже в этом случае дифференциальное воздействие определенного гена на признак ни в коем случае не обязательно должно быть одним и тем же. Оно может изменяться в зависимости от различий в окружающей среде, а также в соответствии с различиями в остальной части генокомплекса. В качестве примера первого мы можем взять хорошо разработанный случай «аномального брюшка» у дрозофилы (T. H. Morgan, 1915). Этот эффект зависит от одного частично доминантного гена, сцепленного с полом, но проявляется он только во влажных условиях. В сухих условиях мушки, чистые по гену, выглядят совершенно нормальными, в то время как промежуточные мушки образуются при различной степени влажности (см. Gordon and Sang, 1941, о аналогичном случае отсутствия усиков).
Не менее поразительным ботаническим случаем является разновидность альбинизма у ячменя (Collins, 1927), зависящего от одного гена. При выращивании при температуре ниже 6°С у растений полностью отсутствует хлорофилл, а при температуре выше 18°С они вполне нормальны. Между этими пределами мутанты производят градуированное количество хлорофилла. В настоящее время доказано, что классический случай Баура (1923) у Primula sinensis был вызван ошибочными экспериментами. О других случаях растений см. Lawrence and Price (1940). У гималайских кроликов и сиамских кошек (обе простые рецессивные) черный пигмент вырабатывается только ниже определенной пороговой температуры. Обычно ниже этого опускаются только конечности; но Ильин (1927, 1930) экспериментально изготовил бледные конечности и черный цвет на теле. Другим примером дрозофилы является короткокрылый, рецессивный препарат, сцепленный с полом, который при 27,5° C заметно уменьшает длину крыльев и влияет на развитие глаз. Однако при температуре этот эффект исчезает и отсутствует при 14°С (Экер, 1935). Таким образом, изменения окружающей среды могут либо маскировать, либо выявлять результаты генетических различий. Поэтому мы должны тщательно различать природу гена и его экспрессию. Сам ген может измениться только путем мутации; но на его экспрессию можно повлиять несколькими способами.
Самое революционное изменение произошло в отношении того, каким образом экспрессия одного гена может быть изменена другими генами. Открытие этого факта дало нам два фундаментальных понятия: генического баланса и генокомплекса. Таким образом, внутренняя, или генетическая, среда гена может оказывать на его экспрессию такие же поразительные эффекты, как и те, которые индуцируются внешней средой, и, конечно, гораздо более важные с точки зрения эволюции.
Под генетическим балансом мы подразумеваем, что отдельные гены действуют не абсолютно, в силу исключительно присущих им качеств, а относительно, в силу их взаимодействия с другими генами. Впервые эта концепция была сформулирована в исследованиях пола. Одно время предполагалось, что у дрозофилы и других форм с мужской гетерогаметностью одна Х-хромосома автоматически определяет мужскую принадлежность, а две - женскую. С тех пор, однако, было показано, что именно соотношение Х-хромосом и аутосом (А) является ключевым. Соотношение 1 Х к 2 А приводит к мужскому типу, 1 Х к 1 А - к женскому.; в то время как соотношение от 1 Х до примерно 15 А приводит к интерсексуальности: стерильные "супермужчины" и "суперженщины" рождаются в соотношении от 1 Х до более чем 2 А и менее чем 1 А соответственно. Отсюда мы можем сделать вывод, что определение пола зависит от количественного соотношения между наборами генов, определяющих мужчин и женщин, хотя мы не знаем, сколько отдельных генов задействовано в каждом наборе.
Этот принцип, однако, по-видимому, имеет универсальное применение: эффект, производимый любым геном, зависит от других генов, с которыми он взаимодействует. Эффекты модификации генов являются наиболее яркими примерами.
Классическим случаем такого рода является изменение рисунка крыс с капюшоном с помощью модификаторов (Castle and Pincus, 1928). Основной ген остается тем же, но его эффекты могут быть сведены к нескольким черным пятнышкам на голове или постепенно распространяться по всей спине и большей части живота с помощью дополнительных генов. У хлопчатника (Gossypium) различия в форме листьев развились точно таким же образом (Silow, 1941)
Развивая эту концепцию, мы приходим к понятию генокомплекса. Среда обитания гена должна включать в себя многие, возможно, все другие гены во всех хромосомах. Этот генный комплекс может быть изменен различными способами путем мутации или рекомбинации с целью модификации эффектов и способа действия конкретных генов, будь то хорошо укоренившиеся или новые мутации. Таким образом, мы можем провести различие между генетической и соматической средой генов.
Кроме того, в настоящее время известно, что ген может существовать в огромном разнообразии аллеломорфных форм (аллелей), до дюжины или более известных для отдельных локусов. Эффекты от них обычно различаются количественно (хотя иногда и качественно), а шаги между различными аллелями могут быть очень незначительными. Множественные аллели, как правило, воспринимаются как представляющие различные состояния гомологичной материальной единицы. Таким образом, они представляют собой один тип генных различий с довольно небольшими эффектами. Многие модификаторы и кумулятивные факторы, такие как те, которые участвуют в количественных признаках, также имеют небольшие эффекты. Во многих случаях было замечено фактическое происхождение таких малых дифференциалов в результате мутации. Кроме того, если эффект гена невелик, вариации экспрессии, обусловленные окружающей средой и другими генами, могут легко вызвать перекрытие с фенотипической экспрессией аллеля или другого гена с аналогичным типом экспрессии. Таким образом, хотя генетическая изменчивость должна быть прерывистой, ее выражение в измеримых признаках может стать непрерывным.
Даже мутации, которые в одном генном комплексе являются патологическими, в другом могут быть совершенно безвредными, а в третьем — полезными. Ярким примером этого является работа М. Гордона (1931) о родовых гибридах между живородящими пресноводными рыбами Platypoecilus и Xiphophorus. Некоторые штаммы первых обладают геном производства крупных пигментных клеток с черным пигментом, отвечающим за определенный тип пятнистого рисунка. Однако, когда этот ген взаимодействует с определенными генами меченосца (Xiphophorus), пигментные клетки производят раковые меланотические опухоли (Kosswig, 1929).
Столь же поразительные и любопытные результаты могут быть получены в результате взаимодействия двух генных комплексов при видовой гибридизации. В качестве примера мы можем привести недавно описанное межродовое скрещивание фазанов (Huxley, 1941b). Помесь была между самкой-фазаном леди Амхерст (Chrysolophus amherstiae) и фазаном Импея (Lophophorus tmpeyanus), и гибрид был самцом. Окраска самцов обоих родительских видов не только блестящая, но и разнообразная. Так, леди Амхерст имеет черно-белую растяжимую «накидку» на голове, поразительный региональный узор на теле и искусно зачерченные центральные перья хвоста, в то время как Импея отличается блестящими пятнами полированной бронзы, зеленого и синего цвета спины на верхней части, с белым крупом и охристым хвостом. Гибрид, однако, имеет большую часть верхней части равномерно черного цвета, с лишь следами зеленых и бронзовых переливов, но без регионального рисунка и блестящей окраски. Нижняя часть тела и центральные рулевые перья по-разному испещрены коричневым, серым и белым цветом. Между прочим, нельзя считать, что эта простая цветовая схема имеет какое-либо реверсивное или «атавистическое» значение: просто тонко сбалансированные генные системы, ответственные за два сложных паттерна, нейтрализовались, так сказать, и дали совершенно иную и почти однородную окраску. Возможно, следует упомянуть, что в других признаках гибрид является промежуточным (например, форма и размер накидки), а в- третьих демонстрирует явное доминирование (например, синяя кожа лица Импеи).
То, что мы можем назвать частичными генными комплексами, может также возникать в отношении отдельных хромосом, на которые делится весь генный комплекс. Это было продемонстрировано Мэзером (1941) в отношении того, что он называет полигенными признаками, т.е. количественными признаками, зависящими от сотрудничества и взаимодействия многочисленных генов. У дрозофил количество вентральных волосков на брюшной полости может быть изменено путем отбора таким образом, чтобы выйти за пределы нормальной изменчивости как в плюс, так и в минус направлениях (ср. Крысы с капюшоном Касла, стр. 65). Но эффект отбора проявляется в два основных этапа. В течение первых двух поколений происходит заметное изменение, которое Мэзер интерпретирует как происходящее за счет рекомбинации целых хромосом. Затем, после периода относительной стабильности в течение двух или трех последующих поколений, происходит дальнейшее и более заметное изменение, продолжающееся в течение ряда поколений; По-видимому, это связано с рекомбинацией первоначально сцепленных генов, образующих полигенные комбинации для числа волос. Различные полигенные комбинации для этого признака возникли в гомологичных хромосомах разных штаммов, причем каждая комбинация сбалансирована в том, что она содержит как плюс, так и минус модификаторы признака. Более того, ряд таких комбинаций будет иметь тенденцию сосуществовать у видов со значительным ауткроссингом, поскольку хрупкость баланса (см. ниже) улучшается, когда гены полигенного признака гетерозиготны. Когда отбор практикуется, кроссинговер дает новые и экстремальные комбинации. (Ср. более полно изолированные парциальные системы Дарлингтона; стр. 362.)
Такие сбалансированные полигенные комбинации не могут быть обнаружены в модификаторах аномальных мутантных признаков, таких как барный глаз. Мэзер предполагает, что они будут возникать в результате естественного отбора в отношении признаков дикого типа, чтобы предотвратить слишком большое отклонение от нормы, и в то же время дать возможность изменения под действием отбора, посредством кроссинговера, обеспечивающего ограниченное число экстремальных рекомбинаций. Такие полигенные комбинации, как и другие особенности генетических систем (ср. с. 136), являются, таким образом, компромиссом между непосредственной индивидуальной приспособленностью и долгосрочной эволюционной пластичностью.
Подводя итог эволюционному значению недавних открытий в области генных комплексов, мы можем сказать, что эволюция не только не обязательно должна происходить путем ряда резких одиночных шагов, но и вряд ли так происходит; каждый такой шаг как бы немедленно буферизуется вспомогательными изменениями в генах и комбинациях генов, которые могут действовать как модификаторы для основного мутирующего гена (гена основной мутации, major mutating gene) и более или менее полностью приспосабливать его к потребностям организма, хотя окончательная адаптация (корректировка) может потребоваться после дальнейших мутаций. В любом случае, то, что эволюционирует, — это генный комплекс; и он может делать это серией небольших, хотя и нерегулярных (irregular) шагов, настолько тонко выровненных, что они образуют непрерывный скат.
Если мы подумаем далее, что теоретически возможно, чтобы ген радикально изменил свой характер, мутируя шаг за шагом от одного члена серии множественных аллеломорфов к другому, мы увидим, что прерывность, присущая менделевской генетике, не является препятствием для видимой преемственности, обнаруженной в палеонтологической эволюции. Прерывистые зародышевые изменения вполне способны вызывать непрерывные изменения соматических признаков. Кроме того, как мы более подробно изложим ниже, патологический характер многих мутаций при их первом появлении не обязательно является препятствием для их окончательного эволюционного использования видом.
Дивергенция двух штаммов всегда будет включать в себя накопление различных генов в двух линиях, каждая из которых буферизуется специальными модификаторами и по-своему приспосабливается к другим генам; и это неизбежно приведет к некоторой дисгармонии при скрещивании, поскольку F1 или более поздние поколения будут менее плодовитыми или менее жизнеспособными, или и тем, и другим (см. обсуждение в Muller, 1939, 1940). Таким образом, факт внутренней адаптации в генном комплексе автоматически способствует достижению межстерильности видов.