Короткий ответ: крупные морфологические изменения в филогенезе часто происходят не из-за изменения белковых последовательностей, а из‑за перестройки регуляции генов — модификации энхансеров/супрессоров, перестановок в генрегуляторных сетях (GRN) и изменения посттранскрипционной регуляции (miRNA). Эти изменения дают локальные, временные или количественные сдвиги в экспрессии ключевых генов, которые затем через каскады регуляции и морфогенез приводят к большим формурам тела.
Механизмы (схематично)
- Модулярность энхансеров: один ген имеет несколько независимых энхансеров, каждый управляет экспрессией в конкретной ткани/времени. Мутация или потеря одного энхансера изменяет только ту часть фенотипа, где он действует (низкая плейотропия).
- Перепрошивка GRN: изменение связей между транскрипционными факторами и целями (новые связи/потеря связей) изменяет хронику и амплитуду развития; небольшая регуляторная смена может быть усилена в сети.
- Изменение морфогенов/градиентов (напр., Shh, Wnt, BMP): изменение времени/места/уровня секреции меняет масштаб и позиционирование органов.
- МикроРНК: добавление/потеря сайтов мишеней или изменение экспрессии miRNA тонко регулирует порог ответа или стабильность мРНК, давая переключения или буферизацию экспрессии.
- Копии/кооптация генов: дупликация с последующей дифференцированной регуляцией позволяет одному копию взять новую роль без потери исходной.
- Гетерохрония/гетеротопия/гетерометрия: сдвиг времени, места или уровня экспрессии ключевых генов меняет пропорции и формы.
Примеры с объяснениями
- Трескуновые (three‑spined) колюшки — потеря таза: у популяций без таза найдено удаление/изменение локального энхансера гена Pitx1 (пелвик‑энхансер). Механизм: удаление энхансера → отсутствие Pitx1 в зачатке таза → утрата таза без нарушения других функций Pitx1 (остальные энхансеры остаются).
- Броневые пластины колюшек (EDA): изменение регуляции гена EDA приводит к снижению количества защитных пластин; снова cis‑регуляторные изменения дают адаптивный фенотип.
- Утраченные/редуцированные конечности у змей: изменения в удалённом энхансере ZRS, который управляет экспрессией Shh в зачатке конечности, приводят к сниженной/отсутствующей экспрессии Shh → отсутствие нормального шаблона роста пальцев/конечностей.
- Расцвет крыльев бабочек (Heliconius — optix, WntA): изменения в локальных энхансерах гена optix переключают выкладку красных рисунков; WntA регулирует другие элементы окраски. Механизм: модульные энхансеры позволяют повторное использование одного гена для разных узоров.
- Дарвиновы вьюрки (форма клюва): отличия в выражении BMP4 и Calmodulin в зародыше клюва (время/уровень экспрессии) приводят к более широким или более удлинённым клювам. Механизм — гетерохрония и изменение уровней морфогенов, влияющих на клеточный рост.
- Drosophila — крыло vs галтеры: домен экспрессии гена Ubx (Hox) определяет преобразование крыла в галтеру; изменение регуляции Ubx даёт крупные изменения формы тела.
- Жуки‑рога (Onthophagus): doublesex контролирует половые различия в развитии рогов; изменения в регуляции dsx приводят к появлению/отсутствию рогов у полов или линий.
- Homeotic (антеро‑постериорные) трансформации: изменение регуляции Hox‑генов меняет идентичность сегментов (пример принципа: модификация экспрессии Hox → перестройка морфологии туловища/конечностей).
Почему маленькие регуляторные изменения дают большие морфологические эффекты
- усиление в сетях: малый сдвиг в экспрессии ключевого регулятора (транскрипционного фактора или морфогена) через свои многочисленные цели вызывает каскад изменений;
- пространственная/временная специфичность снижает побочные эффекты, поэтому полезные изменения могут фиксироваться;
- пороговые и нелинейные свойства GRN и морфоген‑градиентов приводят к «переключающим» эффектам: небольшое изменение концентрации/времени → качественно другой узор развития.
Короткое резюме: именно изменения в регуляции (энхансеры, перестройка GRN, miRNA, кооптация) дают эволюционно пластичный путь к крупным формообразующим изменениям, потому что они позволяют локально и контекстуально модифицировать экспрессию ключевых генов и тем самым запускать каскады, формирующие новые морфологии.