TRECI DEO mol i fenot evolucija.doc

7/18/2019 TRECI DEO mol i fenot evolucija.doc

1/89

PRINCIPIMOLEKULARNEIFENOTIPSKEEVOLUCIJE

Izvodiizpredavanja

BILJANASTOJKOVIINIKOLATUCI

3.DEO

EVOLUCIONABIOLOGIJARAZVIA

3.1.Postanak!"#$#%!&sk!'o()an!*a+a3.1.1.Postanak!#o%,-!&a)#na*naa&n!'*a(a*!$#/!ot!n&a

3.1.0.Kaka+o)ao1!t!)#no+2(#tkas!'/!ot!n&a3.0.U%o)a4o5)#na,(a*!$,!#o%,-!&!/!ot!n&a3.0.1.Kako4o5)#n!osta(,&,so,nk-!.0.0.Postanak!#o%,-!&a)#nasa'o+#1%oko!+a

3.3.Mo7,%a(nao()an!*a-!&a(a*!$a!#o%,-!&at#%#sn!'sk%o2oa3.3.1.4#t#(o'(on!&a3.3.0.4#t#(oto2!&a3.3.3.4#t#(o+#t(!&a3.3.8.4#t#(ot!2!&a

3.8.Onto)#n#tskao)(an!#n&a!#o%,-!&a3.9.B!o%o)!&a(a*!$a!#o%,-!on#no!n#

3.9.1.Da%!#%,-!on#no!n#!+a&,!sto(!&,3.9.0.:!otnas(#7!na!#o%,-!on#no!n#3.9.3.Da%!s#s(#$na,7o!"ta!2ak(a$a&,

1


2/89

3.DEO

EVOLUCIONABIOLOGIJARAZVIA

Danas emo teko nai biologa koji se nee sloiti da teorija evolucije nije

potpuna bez teorije koja objanjava kako se moe promeniti razvie organizama.

Meutim, pogled u istoriju evolucione biologije ukazuje na decenijsko zanemarivanje

uloge ontogenije1 u procesima evolucije. Kako navode neki autori, velika slabost

savremene inteti!ke teorije evolucije lei u tome to ona sutinski predstavlja

"teoriju adulta", teoriju koja nije uspela da naglasi evolucioni zna!aj razli!itosti

ontogenija #$uss, 1%&'(. Mnogi smatraju da je, tokom poslednji) dvadesetak godina,

u ovoj oblasti nauke zapo!eta "nova sinteza" koja konceptualno ujedinjuje klasi!ne

"neo*darvinisti!ke" modele evolucije, ekologiju i biologiju razvia #eco-evo-devo,

videti kasnije(. + narednim poglavljima baviemo se irinom i sloenou "nove"

perspektive u s)vatanju evolucije organizama, ali, da bismo razumeli ta sa!injava te

konceptualne novine, moramo se nakratko osvrnuti na osnovne pravce inteti!ke

teorije evolucije #tzv. Moderne sinteze(koja je nastala u prvoj polovini prolog veka, i

koja, mora se naglasiti, predstavlja i danaspolaznu ta!ku u prou!avanjima evolucije.

ublikovanje glavni) monogra-ija Moderne sinteze ozvani!ilo je ulazak

genetike u evolucionu biologiju. opulaciono*geneti!ka teorija i veliki broj

jednostavni) modela koji objanjavaju i kvanti-ikuju promenu geneti!ke strukture

populacije, postaju okosnica sinteti!ke teorije. +svojoj sutini, teorija evolucije kroz

Modernu sintezu -ormatirana je kao geneti!ka teorija koja -enotipove povezuje

direktno i isklju!ivo sa genima #slika /.1a(. 0sim geneti!ki) uzroka variranja

-enotipova jedinki, svi ostali uzroci, gde pre svega spadaju uticaji -aktora ivotne

sredine na -ormiranje -enotipova, razmatrani su kao "greke" u ontogeniji #tzv.

razvojni um(i nisu se smatrali bitnim za kona!ne evolucione is)ode. Drugim re!ima,

negeneti!ki uzroci individualni) varijacija su, po ovom gleditu, izvor nepoeljne

varijabilnosti koja naruava odnosizmeu genotipa i -enotipa, tj. dovodi do nastanka

nenasledne" varijabilnosti bez vanije uloge u evolucionim promenama. 0datle bi

10ntogenija jednog organizma podrazumeva sve -aze i dogaaje tokom razvia, kako kvalitativne takoi kvantitativne, koji se deavaju po!evi od jedne elije do adultni) -aza ivota.Do*'ansk;T.#1%/'( GeneticsandtheOriginofSpecies. 2olumbia +niv. ress, 345 4,5%#;J.S.

#1%6( Evolution,TheModernSynthesis. 7llen and +n8in, 9ondon5 Ma;(E.#1%6( Systematicsandthe Origin of Species. 2olumbia +niv. ress, 345 S!+2son G.G. #1%66( Tempo and Mode inEvolution. 2olumbia +niv. ress, 34


3/89

opstanak #ili eliminacija(genotipa u odreenom stanitu zavisio isklju!ivo od stepena

u kom je njegov determinisani geneti!ki program razvia "adekvatan" za konkretno

ivotno stanite.

geneti!kapromenapopulacije

geneti!kapromenapopulacije

7D7:;30:;

;nterakcije gena,razvie

ECO-EVO-DEVO

@;D;37

A>30:;

7.

A>30:;

$.

lika /.1. )ematski prikaz dva teorijska pristupa u evolucionoj biologiji. 7. ?enotip iadaptivnavrednostsudeterminisanigenotipom, takodajepoznavanjeu!estalostigenotipovai nji)ovi) koe-icijenata selekcije u odreenoj ivotnoj sredini dovoljno za razumevanjepromene geneti!ke strukture populacije. re!ica na slici prikazuje klasi!an populaciono*geneti!kipristup uModernoj sintezi.$.3a razvie -enotipa i adaptivnu vrednostjedinkiuodreenojabioti!koj ibioti!kojivotnojsrediniuti!ugeni,nji)ove interakcije, interakcijesa-aktorima spoljanje sredine, plasti!ni putevi razvia, itd. 0vaj pristup se primenjuje uevolucionoj ekologiji, a predstavlja i okosnicu nove sinteti!ke discipline B ekologia-evolucia-ra!vi"e.

$udui da su -enotip i adaptivna vrednost u potpunosti odreeni genotipom, za

kvanti-ikaciju promene geneti!ke strukture populacije pod uticajem prirodne selekcije

potrebno je samo poznavanje u!estalosti genotipova i nji)ovi) koe-icijenata selekcije

u odreenoj ivotnoj sredini #prikazana pre!ica na slici /.1a(. Dakle, prema

populaciono*geneti!koj koncepciji, jedina -unkcija ivotne sredine je uloga stati!ne

arene u kojoj opstaju najbolje prilagoeni genotipovi, tj. ivotna sredina ne moe biti

"proizvoa!" varijabilnosti na osnovu koje deluje prirodna selekcija i koja moe bitnoizmeniti pravac geneti!ki) evolucioni) promena.3ajvei uticaj na ovakav stav imala


4/89

/


5/89

je


6/89

6


7/89

varijabilnost u centar nasleivanja umesto u "ometajue" e-ekte spoljanje sredine.

;ako emo mi kritikovati potpuno zanemarivanje uloge individualnog razvia i

ivotne sredine, koje je evidentno kroz "geneti!ku teoriju evolucije", izgleda da je

takva -aza u razvoju evolucione biologije bila neop)odna za kona!no razumevanje

kako nasleivanje u!estvuje u evolucionim promenama.

Aenocentri!na Moderna sinteza razvijala se kroz nekoliko klju!ni)

koncepcija. ored Jardi*


8/89

skupova gena !iji se nijedan !lan ne moe opisati kao povoljan ili nepovoljan", tj.

evoluciono govorei, jedan gen nije uopte gen5 geneti!ki kontekst odreuje

evolucionu putanju svakog gena" #Cade i Aoodnig)t, 1%%&(. Dodatno, u ovakvoj

koncepciji, adaptivna evolucija je lokalna, tj. deava se unutar lokalni) populacija

#umesto veliki) populacija koje suosnovne jedinice evolucije u ?ierovom konceptu(.

peci-i!ne epistati!ke kombinacije gena u svakoj lokalnoj populaciji odreuju nji)ove

evolucione putanje.

Dva klasi!na modela evolucije, iako veoma razli!ita u vienju na!ina kako se

ispoljava geneti!ka in-ormacija, bila su na zanimljiv na!in uklopljena u Modernu

sintezu. ?ierov aditivno*geneti!ki model pri)vaen je kao operativni opis-enotipske

evolucije, tj. kao princip promene geneti!ke strukture populacije, dok je =ajtovo

insistiranje na univerzalnosti plejotropije i epistaze gena s)vaeno prevas)odno kao

model geneti!ke ar)itekture organizama #Cade, 1%%(. Drugim re!ima, evolucija je

posmatrana na nivou promene #u!estalosti( gena, a -enotipski nivo, odnosno

speci-i!na geneti!ka ar)itektura, predstavljao bi rezultat, a ne uzrok, evolucioni)

#geneti!ki)( promena&. + svakom slu!aju, iako je razumevanje uloge gena kroz

epistati!ke interakcije i plejotropiju bilo vano za dalji razvoj evolucione teorije #o

velikoj sloenosti molekularni) me)anizama u ispoljavanju geneti!ke in-ormacije

govorili smo u pret)odnim poglavljima(, Moderna sinteza nije uspela da sagleda

nji)ov zna!aj u oblikovanju -enotipa i njegove evolucije. Gapravo, sada moemo rei

da je osnovni razlog ovog "propusta" bila rigidna odvojenost geneti!ke teorije od

biologije razvia. Ga procese koji se deavaju na putu izmeu genotipa i -enotipa

smatralo se da predstavljaju "crnu kutiju" i da nji)ovo upoznavanje nije od presudne

vanosti za razumevanje evolucije #o !emu govori pre!ica u populaciono*geneti!kim

modelima, slika /.1a(. ;pak, vremenom je rasla svest da upravo zbog ovog neznanja

mnoga evoluciona pitanja ostaju otvorena. :ako je ?utjuma #?utuLma, 1%'%(napisao

da je neznanje o tome kako genotipovi produkuju -enotipove najvea praznina u

naem razumevanju evolucionog procesa, a to je zaista velika praznina". )vatanje da

-enotip nije jednostavan zbir svoji) delova, tj. da je -enotip emergentno svojstvo

organizma koje nastaje tokom ontogenije, zna!ajno je izmenilo pristup prou!avanju

&


9/89


10/89

evolucije. :a emergencija nastaje negde izmeu D3K i -enotipa, i jasno je da !ak i

ukoliko poznajemo kompletan raspored nukleotida D3K u genomu, ne moemo u

potpunosti sagledati -enotip organizma. 0tvaranje "crne kutije" podrazumevalo je

usvajanje novi) teorijski) koncepcija i, to je najvanije, ponovno udruivanje

evolucione teorije i biologije razvie, ali ovog puta na na!in kvalitativno druga!iji od

Darvinovog vremena #lika /.1b(.


11/89

a neki od stavova, kao to su Aoldmitova "srena !udovita", posluili su za

ismevanje !itave ideje o ulozi razvia u evoluciji #videti poglavlje /.H(.

+ savremenoj nauci, dakle, dolazi do ponovnog "ujedinjavanja" -enomena

individualnog razvia i evolucije. =azvie je sa!injeno od kaskade dogaaja koji

povezuju genotip sa -enotipom, povezuju gene sa mor-ologijom, -iziologijom i

ponaanjem. 0no to su isticali nau!nici alternativne sinteze, danasje okosnica novog

pogleda na evoluciju. + pret)odnim poglavljima videli smo da postoje tri osnovna

tipa varijabilnosti zna!ajna za evoluciju. :o su alelska varijabilnost gena koji kodiraju

proteine, alelska varijabilnost u elementima zna!ajnim za gensku regulaciju i, najzad,

epigeneti!ka varijabilnost. ostalo je jasno da je ove elemente neop)odno sagledati

kroz nji)ovo ujedinjeno dejstvo u procesima ontogenije do -ormiranja -enotipova, tj.

da bez razvia ne moe biti potpune teorije varijabilnosti5 a bez adekvatne teorije

varijabilnosti ne moe biti potpunog objanjenja evolucije koja obu)vata promenljive

gene i promenljiva tela" #Ailbert i >pel, %5 str. /6(. >voluciona teorija nije

potpuna bez razumevanja me)anizama kroz koje se tkiva, organi i organizmi

-ormiraju i menjaju. Kroz ovakva sagledavanja dodaje se novi nivo objanjenja

evolucije.


12/89

=azlike izmeu razvia i evolucijeodnose sena tipovepromenakoje sedeavaju,

zatimnaentitetekodkoji)sepromenepojavljujui,kona!no,naputevekojimsetepromene

ostvaruju.3ekeodvaniji)razlikasusledee.

1. romene u razviu deavaju se u okvirima individualnih organizama, a evolucione

promeneseodigravajuunutariliizmeupopulaciaorganizama.:okomrazviaorganizmise

di-erenciraju, rastu i stare, a u evoluciji tokomvremena semenjapopulaciona struktura #tj.

geneti!ka i -enotipska svojstva populacije, relativna brojnost i raspodela populacija u

prostoru,stepenprotokagenaizmeupopulacija,itd.(

.romeneurazviudeavajuseujednojgeneraciji,aevolucionepromeneseostvaruju

tokomnizageneracija.

/.>volucionepromenemorajudauklju!ujupromeneuraspodelamageneti!ki)entitetau

populacijama,dokpromenerazvianemorajudovoditidopromenauraspodelamageneti!ki)

entiteta.

>voluciona biologija razvia je sinteti!ka disciplina koja ima dijalekti!ki

pristup. rvo, ona pokuava da odgovori na pitanje kako su tokom evolucije

oblikovani sistemi razvia razli!iti) grupa organizama B kakvo je poreklo odreene

ontogenije, kako je evoluirao repertoar razvia, kako su se procesi razvia

modi-ikovali tokom evolucijeO 0vde istraiva!i pokuavaju da s)vate evolucionu

osnovu sli!nosti #tj. analogije i )omologije(i razlika izmeu razli!iti) sistema razvia.

>lemente potrage za evolucionom osnovom razvia nalazimo jokod Darvina #1&H%(,

Jekela #1&(i mnogi) drugi) biologa iz ranog perioda istorije evolucione biologije.

0snovna ideja razli!iti) istraiva!ki) programa, od oni) koje pretpostavljaju

postojanje ar)etipova i -ilotipski) stunjeva, preko istraiva!a koji zagovaraju

koncepciju mor-ogenetski) polja, do oni) koji u prvi plan isti!u zna!aj -ormiranja

razvojni) obrazaca, jeste postojanje nekog zajedni!kog obrasca koji se mani-estuje u

razli!itim sistemima razvia. :o je zapravo Darvinova ideja o zajedni!kom poreklu

svi) ivi) bia.


13/89

zainteresovani ne za ontogeniju kao proizvod evolucionog procesa, veza razvie kao

"kreatora" -enotipske varijabilnosti na kojoj "operie" evolucija. Drugim re!ima, ovaj

pravac se zasniva na sledeim pitanjimaF Kako procesi razvia uti!u na nastanak

-enotipske varijabilnostiO Kako ovi razvojni sistemi uti!u na organizaciju -enotipaO

Kakva je veza izmeu razvia i nastanka evolucioni) novinaO Da bismo naglasili

obrnut -okus ovog pravca, a u nedostatku boljeg prevoda, upotrebiemo termin

"razvojna evolucija" #devo-evo, lika /.(.

obzirom da se odgovori na ova pitanja ne mogu traiti van ekolokog

konteksta u kom se razvie odvija, razmatranje uticaja abioti!ke i bioti!ke sredine,

kao i strukture i dinamike populacija, na procese ontogenije i evolucije ujedinjuje

ekologiju, evoluciju i biologiju razvia u novu oblast ozna!enu kao "ekoloka

evoluciona biologija razviaI #engl. Ecologicalevolutionarydevelopmental#iology,

eco-evo-devo, lika /.(. 0snovna pitanja koja se ovde postavljaju suF Kako ivotna

sredina interaguje sa razvojnim procesimaO i Kako sredinske promene uti!u na

-enotipsku varijabilnost i procese evolucijeO

Kako emo videti, pokazalo se da je evolucija sistema geneti!ke i epigeneti!ke

regulacije -undamentalna Ikreativna silaI mor-oloke evolucije. Alavne teme

empirijski) istraivanja postaju analize -unkcije i evolucije regulatorne genske mree,

putevi signalne transdukcije i drugi aspekti molekularni) IkolaI razvia. Dodatno,

istrauje se dinamika epigenetski) interakcija i uticaja sredinski) parametara na

promenu ontogenetski) putanja. 0vim uzbudljivim i kompleksnim pitanjima

posvetiemo se postepeno. +nastavku emo se prvo baviti geneti!kim uzrocima koji

dovode do varijacija u razviu vieelijski) organizama, a kasnije, u !etvrtom delu,

pokuaemo da rasvetlimo evolucioni zna!aj varijabilnosti koja nastaje zbog

plasti!nosti razvia.

1


14/89

@;D;37

EVO-DEVO

>


15/89

selektivna prednost vieelijske organizacije moe biti uzrokovana e-ikasnijim

korienjem dostupni) izvora )rane #Kou-opanou i $ell, 1%%/(. 9aboratorijski

eksperimenti sa nekoliko vrsta algi ukazuju da se pojava vieelijske organizacije

moe povezati i sa zatitom od predatora. + prisustvu predatora, kultura

jednoelijski) algi evoluirala je prema vieelijskoj organizaciji za manje od 1

generacija #$entleL i sar., 1%%&(. Ganimljivo je da je tokom eksperimenta broj elija

po organizmu varirao od 6 do vie od 1, i da se populacija stabilizovala sa

organizmima koji su imali & elija B to je bio najmanji broj elija koji je tako

stvorenim vieelijskim organizmima obezbeivao uspenu zatitu od predatora #u

ovom slu!aju to je bila dimenzija tela(. 0vaj eksperiment je zna!ajan i po tome to

nam pomae da odgovorimo na pitanje zato veina poznati) oblika vieelijske

organizacije poseduje vrlo mali broj, uglavnom slabo di-erencirani) elija. 0vo

pitanje ima smisla ako znamo da determinacija tipa elija zavisi od vrlo malog broja

regulatorni) proteina i da prokariotske i eukariotske elije poseduju genome sa daleko

veim potencijalom za stvaranje razli!iti) elijski) tipova.

udei po potencijalnoj selektivnoj prednosti, vieelijska organizacija se

mogla javiti relativno rano u evoluciji. ojava -ilamentozni) cijanobakterija se datira

na vreme od pre oko , milijardi godina, a najstariji -osili -ilametozni) protista

poti!u od pre oko 1,& do 1, milijarde godina #=okas, &(. rocene dobijene na

osnovu molekulski) markera, postanak sloene vieelijske grae, kakva se via kod

ivotinja gljiva i biljaka, vezuju za period izmeu 1, do ,6 milijarde godina, a

najstariji -osili vieelijski) ivotinja se datiraju na vreme od pre '' do 'H miliona

godina #3ielsen i arker, 1(.

oreenja skupova gena savremeni) jednoelijski) i vieelijski) organizama,

isti) i razli!iti) evolucioni) linija, pomau nam da otkrijemo koji su klju!ni geni

odgovorni za pojavu vieelijske organizacije. Kada su takve analize uraene kodcijanobakterija, miksobakterija i aktinobakterija, pokazalo se da se kod vielijski)

srodnika poveao broj gena uklju!eni) u transdukciju signala i regulaciju

transkripcije. 3a primer, u genomu mik sobakterije My+ococcus +anthus

identi-ikovano je vie od 1H duplikacija gena tokom tranzicije od jednoelijski) ka

vieelijskim oblicima, pri !emu su naj!ee bili duplirani regulatorni geni i geni

odgovorni za za transdukciju signala #Aoldman i sar., (.

1


16/89

3.1.1.Postanak!#o%,-!&a)#na*naa&n!'*a(a*!$#/!ot!n&a

?ilogenetske analize na genima za 1&r=3K, mtD3Ki jedarnim genima koji

kodiraju proteine, nedvosmisleno ukazuju da jednoelijski i kolonijalni protisti iz

grupe )oano-lagelata #2)oano-lagellata( predstavljaju sestrinsku grupu vieelijskim

ivotinjama #Metazoa(. Pelijska struktura )oano-lagelata je veoma sli!na

)oanocitama B elijama !ija je osnovna -unkcija kod savremeni) sunera vezana za

uzimanje )rane. Kao i )oanocite sunera, )oano-lagelate posedujuju apikalni bi! sa

!etkastim aktinskim okovratnikom pomou koji) love bakterije i detritus. 0va

sli!nost navela je brojne istraiva!e na zaklju!ak da su jednoelijski preci ivotinja

imali elijsku organizaciju sli!nu )oano-lagelatama%. Dodatno, na ovu )ipotezu

upuuju i neke molekularno bioloke i mor-oloke analize, koje identi-ikuju sunere

kao nastariju grupu ivotinja. +sve to se veoma dobro uklapa i podatak da su suneri

prve ivotinje koje se pojavlju u -osilnim zapisima #$otting i $utter-ield, H(.


17/89

kontakta izmeu leukocita i vaskularni) endotelski) elija, prepoznavanju elija i

elijskoj endocitozi. :akoe, u genomu M#revicollisse nalaze geni koji kodiraju pet

imunoglobulinski) domena, dok kod metazoa postoji izmeu 1H i 1H

imuglobulniski) domena, to ukazuje da je do velikog poveanja imunoglobulinske

-amilije gena dolo nakon razdvajanja metazoa od )oano-lagelata.

;majui u vidu da je M#revicollisjednoelijski organizam, namee se pitanje

kakva je -unkcija ovi) proteina koji kod metazoa imaju ulogu u elijskoj ad)eziji.

oto se neki od navedeni) proteina nalaze u !etkastom okovratniku M#revicollis,

smatra se da je osnovna -unkcija ti) proteina )vatanje bakterijskog plena.


18/89

metazoa i )oano-lagelata takoe mogao imati relativno velik broj introna u genima

koji kodiraju proteine.

ojava vieelijske organizacije zavisila je i od evolucije me)anizama koji su

omoguavali di-erencijalnu ekspresiju gena u elijama koje !ine jedan organizam.

Di-erencijalna ekspresija gena, istakli smo ranije #deo .6.1(, preteno je kontrolisana

na nivou transkripcije. 2is*regulatorni elementi svakog gena poseduju izuzetnu

sposobnost paralelne obrade velikog broja prostorni) iili vremenski) in-ormacija

koje poti!u od transkripcioni) -aktora. rvo pitanje je, dakle, koje su transkripcione

-aktore mogli posedovati jenoelijski eukarioti od koji) su postale vielijske ivotinje.

M #revicollis poseduje !lanove veine najprisutniji) -amilija eukariotski)

transkripcioni) -aktora.3ajvei broj transkripcioni) -aktora su oni !iji vezivni domen

sadri jone cinka #transkripcioni -aktori sa cinkovim prstima5 videti avi*avi!evii

Mati, 11, str. '(. Ganimljivo je da HU transkripcioni) -aktora M #revicollis

pripada transkripcionim -aktorima sa viljukastom glavom #engl. forkhead(, koji su do

sada pronaeni samo kod gljiva i ivotinja. KodM#revicollissu pronaena samo dva

transkripciona -aktora sa )omeodomenima i oba pripadaju :79> klasi #videti

kasnije(. J0Rsubklasa ne*:79> klase, koja ima jednu od klju!ni) uloga u razviu

ivotinja, nije pronaena kod )oano-lagelata, to ukazuje da se ona pojavila i

evoluirala tek kod metazoa.

Di-erencijacija elija kod metazoa praena je smanjenjem potencijala za

di-erencijalnu ekspresiju gena. Ga razliku od jednoelijski) organizama, u

di-erenciranim elijama vieelijski) organizama, pored gena neop)odni) za

odravanje integriteta svake elije #tzv. "gena domara"5 engl housekeepinggenes(,

ispoljavaju se razli!iti podskupovi gena. :akoe, kod mnogi) metazoa, postavljanje

regulatorne mree koja kontrolie di-erencijalnu ekspresiju gena u elijama, ne

postie se odjednom ve tokom niza -aza razvia. :okom razvia mogu se, kao"privremeno reenje" koristiti isti me)anizmi koji jednoelijskim eukariotima

omoguavaju transkripcionu -leksibilnost tokom prilagoavanja na promene u

ivotnoj sredini. Meutim, na kraju razvia jedinki, kod veine elija, transkripcioni

regulatorni status se stabilizuje, tako da svaki tip elija poseduje speci-i!nu

kombinaciju aktivni) i neaktivni) gena. De-initivan odgovor na pitanje kako se to

postie jouvek nemamo. rema jednoj )ipotezi #7renas*Mena, '5 1(, vanu

ulogu u odravanju regulatorne mree di-erencirani) elija vieelijski) ivotinja upermanentnom stanju mogla bi imati )istonska varijanta J7.G, o kojoj smo govorili

1H


19/89

u delu .6././. 3aime, na osnovu podataka da je kod morski) jeeva i neki) anelida

J7.G nukleozoma povezana sa nedi-erenciranim i multipotentnim elijama, a kod

mati!ni) elija ljudi ova nukleozomska varijanta je izgleda klju!ni regulatornji)ove

transkripcione multipotentnosti, 7renas*Mena #1(smatra da je ova nukleozomska

varijanta "dobar kandidat" za glavnog "vratara" #engl. gatekeeper( koji kontrolie

pristup razli!itim transkripcionim -aktorima ka cis*regulatornim elementima gena.

Dobra strana ove )ipoteze jeste to to jednoelijski eukarioti, kao to je pekarski

kvasac, poseduju ovu )istonsku varijantu, a loa strana je to to je, kako smo u delu

.6././. istakli, na!in regulacije transkripcije gena pomou J7.G, izgleda, species*

speci-i!an, ali i to to jo uvek ne poznajemo ta!ne me)anizme kako ova

nukleozomska varijanta regulie transkripciju gena.

3.1.0.Kaka+o)ao1!t!)#no+2(#tkas!'/!ot!n&a

7naliza kompletnog genoma sunera mphimedon .ueenslandica, i njegovo

poreenje sa drugim vrstama, omoguuje nam da dobijemo grubu predstavu o

genomu zajedni!kog pretka svi) ivotinja #rivastava i sar., 1(. 0vaj tipi!an

predstavnik sunera, sa oko / gena koji kodiraju proteine, ima genom sa vrlo

brojnim repertoarom gena uklju!eni) u signalne puteve i regulaciju transkripcije, to

ukazuje da je predak svi) ivotinja imao "osnovni alat" neop)odan za razvie sli!an

onome koji se nalazi kod savremeni) ivotinja sa bilateralnom simetrijom.

Aenom .ueenslandica pokazuje izrazitu konzervativnost u pogledu

strukture gena koji kodiraju proteine #recimo, pozicije introna( i organizacije

#sinteniju( u odnosu na druge ivotinje. 0d 6' genski) -amilija, analizirani) kod

sunera i vie vrsta metazoa, koje su prikazane na slici. /./, 1& #'U(su, izgleda,

speci-i!ne samo za metazoe. 0d ti) 1& genski) -amilija, skoro V je nastalo

duplikacijama gena u okviru stabla metazoa. 3ajranije duplikacije odnosile su se natranskripcione -aktore sa )omeodomenima i strukturom domena !iji je motiv

zavojnica*petlja*zavojnica #engl. heli+-loop-heli+(. Kasnije duplikacije gena i nji)ova

divergencija kod eumetazoa, dodatno su poveale broj gena u -amilijama

transkripcioni) -aktora, tako da je nji)ov broj od dva do /6 puta vei kod eumetazoa

nego kod sunera.

1


20/89

lika/./.3eki stupnjevi razvia i -ilogenetskipoloaj suneramphimedon.ueenslandica.a. adulti,b. embrioni ic. larve.d.?ilogenija ivotinjazasnovanana%jedarni)genakojikodirajuproteine kod 1& vrsta sa kompletno sekvenciranim genomima. + ovoj -ilogenijiplakozoe, knidarije i ivotinje sabilateralnom simetrijom grupiu se ujedinstvenu kladuB

eumetazoa.=azli!itimbojama ozna!enojemogueporeklo genao kojima e se govoriti utekstu#premaFrivastavaisar.,1(.

7naliza genoma .ueenslandicaomoguila je uvid u poreklo est osnovni)

karakteristika vieelijske organizacije ivotinja. :o suF 1. regulacija elijskog ciklusa

i rasta, . programirana elijska smrt #apopotoza(, /. elija*elija i elija*ekstraelijski

matriksad)ezija, 6. signalni putevi zna!ajni za razvie, H. prepoznavanje strani) elija

#alorekognicija( i uroeni imuni odgovori, i . specijalizacija elijski) tipova. 3a

ovom mestu daemo samo nekoliko opti) napomena o tim karakteristikama.

0snovni elementi koji u!estvuju u regulaciji elijskog ciklusa i rasta kod

ivotinja, vuku koren od rani) eukariota, a speci-i!ni regulatorni me)anizmi metazoa


21/89

nastali su tokom evolucije ove grupe. Ga razliku od ovog sistema, najvei broj

elemenata koji u!estvuju u apoptozi, speci-i!ni su samo za ivotinje, a uo!ava se i

tendencija uslonjavanja me)anizama koji u!estvuju u programiranoj smrti elije od

-ilogenetski stariji) do -ilogenetski mlai) grupa. =anije smo videli da se

dijagnosti!ki domeni dve najvee ad)ezione -amilije *kad)erini i imunoglobulini Bpojavlju vekod )oano-lagelata. Kad)erini kod sunera sti!u ar)itekturu sli!nu onoj

koja je karakteristi!na za sve metazoe. :akoe, tokom evolucije metazoa dolazi do

velike ekspanzije proteina koji imaju oblasti sli!ne imunoglobulinima.

Kod sunera su prisutne komponente glavni) signalni) puteva zna!ajni) za

razvie i klase transkripcioni) -aktora karakteristi!ne za ivotinje, to ukazuje da su

1'


22/89

geni uklju!eni u individualno razvie, zajedno sa onima koji su odgovorni za

-ormiranje primarni) germinativni) elija, evoluirali u okvirima metazoa. 3aravno,

duplikacije gena dovodile su do uslonjavanja speci-i!ni) -amilija gena tako da, na

primer, kod sunera, koji nemaju mezoderm, odsustvuju transkripcioni -aktori

uklju!eni u -ormiranje ovog klicinog lista. :akoe, .ueenslandicanema /o+gene i

neke druge transkripcione -aktore koji reguliu oblikovanje telesnog sklopa i nervnog

sistema bilateralni) ivotinja. ;nteresantno je da suneri, uprkos odsustvu

neuromiinog sistema, poseduju nekoliko transkripcioni) -aktora koji su kod

ivotinja sa bilateralnom simetrijom odgovorni za di-erencijaciju miia i nerava.

Mada su se neki geni zna!ajni za imunski odgovor javili kod eukariota vrlo

rano, prelaz od jednoelijske do vieelijske organizacije bio je praen pojavom

potpuno novi) me)anizama odbrane od patogena i me)anizama -uzije sa geneti!ki

potpuno druga!ijim elijama. 3a primer, vrlo je verovatno da je preda!ka -orma

receptorske super-amilije interleukina 1 #;9*1=( bila prisutna kod poslednjeg

zajedni!kog pretka svi) metazoa i da je kasnije divergirala u razli!itim evolucionim

linijama metazoa.

Da bismo uspeno rekonstruisali evolucioni prelaz od jednoelijske ka

vieelijskoj organizaciji neop)odna su nam znanja i o vezama izmeu kompleksni)

-enotipski) osobina vieelijski) organizama i brojni) multigenski) -amilija gena

koje kontroliu razli!ite regulatorne proteine. :ranskripcioni -aktori sa

)omeodomenima #JD( su verovatno jedan od najbolji) modela koji nam mogu

pomoi da rasvetlimo postanak sloeni) -enotipova, zato to upravo oni imaju klju!ne

uloge u regulaciji osnovni) procesa razvia #kao su regionalizacija tela i regulacija

proli-eracije, di-erencijacije, ad)ezije i migracije elija(kod ivotinja, biljaka, gljiva,

pa !ak i vieelijski) amebozoa kao to je Dictyostelium sp. roteini sa

)omeodomenima su odsutni kod prokariota. vi do sada prou!eni organizmi satakvim proteinima bili su eukarioti. Dodatno, ako su i jednoelijski, poput ranije

pomenuti) )oano-lagelata, oni pripadaju evolucionim linijama kod koji) se javlja

vieelijska organizacija #Derelle i sar., '(. 0vaj podatak navodi na zaklju!ak da

transkripcioni -aktori sa )omeodomenima pripadaju dobrim

graevinskim blokovima" #King, 6(. oto se transkripcioni -aktori sa JD

javljaju kod svi) veliki) evolucioni) linija u kojima su prisutni i vieelijski

organizmi #ivotinje, gljive, biljke, amebozoa i )eterokonta(, oni sunajverovatnije bili prisutni i kod poslednjeg zajedni!kog pretka svi) dananji)

vieelijski) organizama. Kod neki)


23/89

1&


24/89

parazitski) jednoelijski) eukariota dolo je do gubitka proteina sa JD, verovatno kao

posledica drasti!nog smanjenja genoma.

7nalize proteina sa JDkod 6 eukariotske vrste pokazale su da postoje dve

osnovne klase ovi) proteina #Derelle i sar., '(. :o je klasa sa aminokiselina u

vezivnom domenu #tipi!na ili tzv. ne*:79> klasa(i klasa sa / aminokiselina #to je

:79> klasa5 engl. Threeminoacid0oopE+tension(1. ve analizirane evolucione

linije posedovale su ili obe ili nijednu klasu proteina sa JD.3a osnovu ovi) podataka

moemo zaklju!iti da je poslednji zajedni!ki predak vieelijski) organizama imao

obe klase proteina sa JD. Kod razli!iti) evolucioni) linija, u okvirima obe ove klase,

dolazilo je do nezavisni) duplikacija gena, posebno kod ivotinja i biljaka. 3a primer,

kod savremeni) ivotinja transkripcioni -aktori sa JD svrstavaju se u 6% -amilija5 u

genomu !oveka se nalazi vie od gena sa )omeoblokovima, a kod biljke

thaliana takvi) gena ima oko &. Kod metazoa, posebno veliku diverzi-ikaciju

doivela je ne*:79> klasa proteina sa JD, u koje spadaju i/o+geni.

3.0.U%o)a4o5)#na,(a*!$,!#o%,-!&!/!ot!n&a

Alavne telesne ose kod ivotinja sa bilateralnom simetrijom #$ilateria(

-ormatiraju se vrlo rano u embrionskom razviu. Klju!nu ulogu u tim procesima

imaju grupe transkripcioni) -aktora sa aminokiselina u vezivnom domenu

#)omeodomeni(. 3ji) odreuju geni koji su -izi!ki povezani u "jata" #engl. clusters(i

nose naziv /o+ geni #slika /.6(. Eata /o+ gena se kod Drosophila melanogaster

sastoje od osam gena, a kod sisara /% !lanova su rasporeeni u !etiri grupe. 0no to

/o+gene !ini posebnim nije samo organizacija u vidu jata, veto to nji)ov raspored

u jatima odreuje -unkciju gena du anteriorno*posteriorne #7*( telesne ose #tj.

postoji prostorna kolinearnost( kod ivotinja sa bilateralnom simetrijom. rostornakolinearnost zavisi od cis*regulatorni) elemenata /o+gena. utem kontrole ekspresije

niza drugi) gena, /o+geni odreuju identitet svake elije u razli!itim delovima tela

ivotinje. Drugim re!ima, oni selektuju odreene puteve razvia, te se zbog toga !esto

nazivaju "selektorskim" genima. Druga vana osobenost /o+gena je to to nji)ove

mutacije mogu dovesti do trans-ormacije jednog organa u drugi #)omeoza(.

3ajpoznatiji primer )omeoze je )omeoti!ni mutant Drosophila melanogaster pod

1 Kod dve grupe )eterokonta #oomicete i diatomea(, javlja se :79> potklasa sa pet umesto triaminokiseline u vezivnim domenima.

1%


25/89

imenom "antennapedia" kod kog su antene na glavi muica trans-ormisane u dodatni

pardrugi) nogu. Pelije koje su -ormirale te "nove" noge, jesu izgraene od elija koje

se ina!e nalaze u antenama, ali su one sledile "pogrean" #geneti!ki(program. /o+

geni su ti elementi koji odreuju sudbinu elija tokom razvia ivotinja.

lika /.6. Eata/o+ gena kodD, melanogaster, Caenorha#ditis elegans iMus musculus,Jomologni geni su isto obojeni. Kod veine ki!menjaka,/o+ geni su rasporeeni u !etirigrupe sa varijabilnim brojem gena. Kod nematoda i ki!menjaka dolo je do ekspanzijevarijanti #d-( gena kojije kod voni) muicaprisutan ujednoj kopiji gde kodira dvarazli!itaproteina.=edosledgenaideod/WpremaHWkrajulancaD3K#premaF?orondoetal.,%(.

Gbog vrlo vane uloge koju imaju u procesima razvia, /o+ geni su vrlo

konzervisani. rocenjuje se, na primer, da je tokom 'H miliona godina, od razdvajanja

evolucioni) linija koje su vodile do savremeni) ljudi i mieva, eliminisano %%,'U

nesinonimni) mutacija u /o+genima. oreenja radi, u istom vremenskom periodu,

eliminisano je oko &HUnesinonimni) mutacija u slu!ajno uzetom uzorku gena koji

kodiraju proteine !oveka i mia #3ei, '(1/.

0rganizacija /o+ gena u jata nije ista kod svi) ivotinja. Ki!menjaci imaju

imaju najkompaktnije organizovane /o+gene u jatima. Kod nji), svi geni imaju istu


26/89

transkripcioni orjentaciju #/WX HW( i proteu se na oko 1 kb #slika /.6(. :akoe,

1/


27/89

ova jata su veoma bogata konzervisanim nekodirajuim nizovima D3K, sa vrlo malo

ponovljivi) sekvenci. /o+ geni kod ki!menjaka imaju uglavnom vrlo male introne

#izuzetak su guteri i zmije, videti kasnije(, to sve skupa poja!ava "kompaktnost"

jata. 0vakva organizacija je omoguila da se sa najmanjom moguom koli!inom

konzervisani) nizova D3K ostvari velika -unkcionalna e-ikasnost /o+ gena

#Duboule, '(. ored ovakvi) JoQ jata, koja se nazivaju "organizovanim jatima"

#0 tip(, postoje "disorganizovana" #D tip, kod morski) jeeva i am-ioksusa(,

"razdvojena" # tip, kod drozo-ile(, i "atomizirana" #7 tip, kod uro)ordata, videti

kasnije5 Duboule, ', slika./.H(. +poreenju sa jatima ki!menjaka, jata sa manje

!vrstom organizacijom prostiru se na znatno duim nizovim D3K5 na primer, JoQ

jata kod am-ioksusa zauzimaju oko 6H kb, to je preko 6 puta vie nego kod

ki!menjaka.


28/89

lika/.H.trukturnaklasi-ikacijaJoQjata.:ip0predstavljavisokoorganizovanajatakoja

suprisutna,kolikosedanaszna,samokodki!menjaka.:ipDjataseproteunaznatnoduimnizovima D3K i pored /o+ gena #crni boksovi(, koji imaju razli!ite transkripcioneorjentacije, u jatima se nalaze i ne/o+ geni #beli boksovi(, kaoponovljivi nizovi D3K#primerisumorskijeeviiam-ioksus(.tip#odenglSplit(posedujekarakteristike0iDtipausvakomodsubjata#kaokoddrozo-ileidrugi)diptera(,dokkod7tipa/o+genizapravo inisuorganizovaniujata,kaokodurodela#premaFDuboule,'(.

Arupisanje /o+ gena u jata je od velike vanosti za razvie budui da

temporalna kolinearnost #tj. sled ekspresije /o+ gena tokom razvia( zavisi od

ar)itekture jata /o+gena. Kod svi) ki!menjaka postoji, pored prostorne, i vremenska

1


29/89

kolinearnost16. Kod sisara i ptica, tokom gastrulacije se uo!ava sekvencijalna

inicijalna ekspresija /o+gena u /WX HWsmeru.

Kako je dolo do visoke organizovanosti JoQ jata kod ki!menjaka jo uvek

nije sasvim jasno. rema jednoj )ipotezi #Duboule, '(, "konsolidacija"organizacije JoQ jata kod ki!menjaka bila je posledica pojave globalne regulacije

#putem lokusni) kontrolni) regiona, 92=, videti deo .6.1(. 3astanak zajedni!kog

kontrolnog regiona van samog jata #nalazi se uzvodno od /W kraja jata(, koji je

omoguio koordinisanu transkripcija susedni) gena, doveo je do -ormiranja optimalne

strukturne organizacije jata, kao to su eliminacija ne/o+ gena i smanjenje

intergenski) regiona i introna unutar gena #slika /.(. :akoe, ovaj proces je

omoguio pojavu dodatni) me)anizama zajedni!ke regulacije. 3a primer, tetrapode

su tokom evolucije stekle jo jedan zna!ajan me)anizam regulacije aktivnosti /o+

gena. :oje poja!ava!, udaljen oko 1 kb od HWkraja /o+d12gena, koji kontrolie

ekspresiju posteriorni) /o+dgena u distalnim delovima udova #to je tzv. autopodni

region koji tokom razvia daje prste(. 0vaj poja!ava!, dakle, smatra se odgovornim

za pojavu prstiju kod tetrapoda, a nalazi se u delu genoma koji ina!e sadri vei broj

neuralni) poja!ava!a #Desc)amps, '(. 3jegov uticaj na ekspresiju /o+gena iz D

jata kod tetrapoda najvie se odraava na gene locirane na HW kraju #tj. najblie

poja!ava!u(, a prakti!no odsustvuje kod gena koji se nalaze u blizini /W kraja. 0va

novoste!ena kontrola ekspresije gena iz D jata /o+ gena najverovatnije se pojavila

kod zajedni!ki) predaka riba iz grupe arcopetrLgii i tetrapoda, poto nedavno

otkriven devonski -osil ribe sli!ne tetrapodama, Tiktaalik13, poseduje osnovne kosti

zglobova i jednostavne prste.

16 ;ako su vone muice bile prve kod koji) su otkriveni /o+ geni, svi /o+ geni se kod nji)eksprimiraju istovremeno, to je u suprotnosti sa podacima dobijenim kod ki!menjaka i drugi)insekata.

1H :iktaalik je -osil pronaen u kanadskom arkti!kom ar)ipelagu 6. godine. ored brojni) "riblji)"osobina, poseduje mnoge karakteristike sli!ne tetrapodama #!etvoronogim kopnenim ki!menjacima( ismatra se da je pripadao grupi organizama koje su se adaptirale na plitke vode sa malom koli!inomkiseonika. :akav pravac evolucije vodio je nastanku kopneni) ki!menjaka. tarost :iktaalika

procenjena je na oko /'H miliona godina. $udui da se pronaeni primitivni tetrapodni otisci datiraju

na jo starije vreme #oko 1 miliona godina pre :iktaalika(, verovatno je da :iktaalik predstavlja"zaostali relikt" nekada vee grupe vrsta #stari) oko 6 miliona godina( koje su imale meavinuosobina akvati!ni) i terestri!ni) ki!menjaka.


30/89


31/89


32/89

lika/..>volucijakonsolidacijeJoQjatakodki!menjaka.7.)ematskiprikazDjatakodpredaka bilateralni) ivotinja. /o+ geni #crni boksovi( imaju razli!ite transkripcioneorjentacije#strelice(,ameunjimasenalazeine/o+geni#beliboksovi(.odgrupeJoQgenasedre zajedno za)valjui zajedni!kim cis*regulatornim elementima #plavikruii(.$.D0jato, koje je verovatno bilo prisutno kod predaka )ordata. ojava zajedni!kog cis*regulatornog elementa u kontrolnom regionu #2=5 braon boja( predstavlja po!etakkonsolidacijejata.2.osle=duplikacijagenoma,jatasejoviekonsolidujuzbogpojavenovi)cis*regulatora #crveni,uti izeleniboksovi i strelice(ukontrolnom regionu,kojisadapostajevrlo sloen.0sim globalnog kontrolnog regiona,koji senalazi uz /WkrajJoQjata,kodtertrapodasepojavljujeinovkontrolniregionuzHWkrajjata#premaFDuboule'(.

De-initivna prostorna kolinearna ekspresija JoQ gena, tokom kasniji)

stupnjeva razvia, uklju!uje dodatne tkivno*speci-i!ne aktivacije gena. 0rganizacija

/o+gena koji se nalaze uz anteriorni #/W(kraj, vrlo je konzervisana i smatra se da je

bila prisutna pre razdvajanja 2nidaria #meduze, )idre, korali( i $ilateria. druge

strane, organizacija J0R jata uz posteriorni #HW( kraj doivela je, tokom evolucije,

velike rearanmane, to je, kako emo videti, imalo zna!ajne posledice u pojavi novi)

oblika regulacije/o+gena u posteriornom delu jata.


33/89

/


34/89

=etinoi!na kiselina #=75 engl 4etinoiccid( je glavni regulator temporalne

kolinearnosti /o+ gena1. =7 regulie temporalnu ekspresiju /o+ gena tako to

postepeno poveava broj /o+gena iz jata koji se nalaze van teritorije kondenzovanog

)romatina. 0vo, naravno, omoguava postepeno poveavanje broja /o+gena kojimae, tokom vremena, moi da "pristupe" delovi aparata za transkripciju. =7se vezuje

za jedan receptor #=7=5 engl. 4etinoic cid 4eceptor(, koji zatim -ormira

)eterodimer sa drugim receptorom #=R=5 engl. 4etinoid-5-4eceptor( na mestu koje

reaguje na =7, a nalazi se u blizini ili unutarodreenog /o+gena. 7ktiviran =7=

regrutuje proteinske komplekse u kojima se nalaze )istonske acetiltrans-eraze, a one

indukuju postepene promene u )romatinskoj strukturi #videti deo .6././(. + ovaj

sistem regulacije uklju!eni su geni koji kontroliu sintezu #npr. 79DJ17( ili

degradaciju =7 #npr. 2Lp( i tako zajedno reguliu raspodelu =7 tokom razvia.

Dugo se smatralo da je =7sistem prisutan samo kod )ordata. 3edavno je, meutim,

otkriveno da geni ovog sistema postoje i kod neki) drugi) deuterostoma, tako da je

vrlo verovatno da su )ordate "samo" upotrebili proizvode ovi) gena za nove -unkcije

u razviu.

+regionima gde se ekspresije anteriorni) i posterioni) /o+gena preklapaju,

dolazi do pojave koja se naziva "posteriorna prevalencija" #Duboule i Morata, 1%%6(,

u kojoj proizvodi gena blii) HWkraju dominiraju nad proizvodima gena koji se nalaze

blie /W kraju. matra se da je ova -unkcionalna )ijerar)ija, koja se uo!ava !ak i u

odsustvu apsolutne prostorne i vremenske kolinearnosti, vezana za sam proces

-ormiranja jata /o+gena. 3aime, u procesu neo-unkcionalizacije #deo ././(, koja je

sledila posle tandemski) duplikacija, kasnije nastali /o+geni, a to su po pravilu oni

koji se nalaze blie HWkraju, mogli su da steknu sposobnost modi-ikacije "programa"

svoji) "roditelja" tako to su bili #1( e-ikasniji u vezivanju za zajedni!ke cis*

1 Gbog neobi!no vane uloge u regulaciji /o+ gena kod ki!menjaka, svaki poremeaj u koli!ini ivremenu pojavljivanja retinoi!ne kiseline tokom embriogeneze moe dovesti do poremeaja u razviuorganizama. oznati su teratogeni e-ekti 1/*cis*retinoi!ne kiseline #naziva se i isotretinoin ili akutan u-armaceutskoj proizvodnji( koja se koristi u le!enju cisti!ni) akni. +pustva za akutan sadreupozorenja o njegovim tetnim e-ektima kod trudnica. Eedna studija na grupi trudnica koje su koristileakutan, pokazala je da od H% -etusa, nije imalo nikakav vidljiv poremeaj, 1 trudnica je spontano

pobacilo, a 1 beba roena je sa vidljivim abnormalnostima #npr. odsustvo ili abnormalne ui, odsustvoili vrlo mala vilica, i niz abnormalnosti centralnog nervnog sistema(. >ksperimenti na mievima su

pokazali da viak retinoi!ne kiseline spre!ava migraciju i proli-eraciju elija kranijalne nervne kreste#kriti!an momenat razvia za teratogene e-ekte retoni!ne kiseline kod !oveka je izmeu H i /H dana(.+zimanje vitamina 7, koji je prekursor retinoi!ne kiseline, u prekomernim koli!inama, takoe moeimati teratogene e-ekte. rocenjuje se da trudnice koje uzimaju vie od 1 internacionalni) jedinicavitamina 7 dnevno, imaju oko U ansu da rode dete sa poremeajima koje izaziva viak retinoi!nekiseline.

6


35/89

regulatorne elemente gena !iju ekspresiju kontroliu, ili #( tako to su stvorili

paralelnu mreu gena koja je dominirala nad mreom koju su kontrolisali anteriorni

/o+geni #4ekta i sar., &(.

osteriornu prevalenciju u jatima /o+ gena kod ki!menjaka izgleda da

reguliu dve -amilije mi=3K#deo ././(1'. 3aime, postoje indikacije da se mi=*1 i

mi=*1% pre-erencijalno vezuju za /W+:= i=3Kposteriorni) /o+gena i na taj na!in

smanjuju sintezu odgovarajui) proteina, odnosno odlau nji)ove negativne e-ekte na

anteriorne gene #4ekta i sar., &(. Ganimljivo je da se geni za obe -amilije mi=3K

nalaze u okvirima /o+ jata5 mi=*1 geni se nalaze izmeu /o+6 i /o+3, ili unutar

introna /o+d6, a mi=*1% izmeu /o+7i /o+18svi) jata osim Djata. mi=*1% se

javlja isklju!ivo kod ki!menjaka, a mi=*1 ima ortologne parnjake kod voni) muica

i nematoda1&.

3.0.1.Kako4o5)#n!osta(,&,so,nk-!

:ranskripcioni -aktori, koje kodiraju /o+geni, aktiviraju ili inaktiviraju grupe

gena tako to se direktno vezuju za nji)ove poja!ava!e. >lementi poja!ava!a koji

reaguju na JoQ proteine, !esto su postavljeni uz mesta vezivanja drugi)

transkripcioni) -aktora, kao to su e-ektori signalni) puteva ili proteina koji odreuju

tkivnu speci-i!nost. peci-i!nost vezivanja JoQ proteina u elijama zavisi od

ko-aktora. 3ajbolje je prou!en >Qd #engl. e+tradenticle( koa-aktor drozo-ile #>Qd

protein takoe ima )omeodomen, ali pripada :79> grupi, videti ranije(. rema

jednom modelu #naziva se model selektivnog vezivanja(, samo razli!ite >Qd*JoQ

kombinacije odreuju za koji e se od niza sli!ni) nizova od oko desetak nukleotida

vezati )eteropolimer. rema drugom modelu, razli!ite >Qd*JoQ kombinacije nisu

klju!ne, ve se speci-i!nost delovanja /o+ gena odreuje razli!itim aktivnostima

1'


36/89

dimera koji regrutuju razli!ite ko*aktivatore ili ko*represore. oto postoje primeri za

oba modela, mogue da se speci-i!nost regulacije pomou /o+gena postie na oba

na!ina.

=egulatorne aktivnosti /o+gena ostvaraju se na dva nivoaF 1. delovanjem na

gene koji kodiraju signalne molekule ili druge transkripcione -aktore, i . direktnim

delovanjem na brojne gene koji u!estvuju u elijskoj ad)eziji, kontroli elijskog

ciklusa, elijskog kretanja i apoptozi. + prvom slu!aju, /o+ geni se ponaaju kao

glavni regulatori #"master" geni(, a u drugom slu!aju nji)ova uloga se svodi na

"mikromenadment".

ostoje brojni primeri sloeni) mrea regulacije na !ijem se vr)u nalaze JoQ

geni. =ecimo, kod D melanogaster, aktivacijarepresija dpp gena #engl.

decapentaplegic(, koji se ispoljava u 7*oblasti visceralnog mezoderma #to je grupa

mezodermski) elija koja okruuje endodermska tkiva kao to je crevo(, zavisi od dva

JoQ gena B 9#+ i #d-. ojava D proteina #to je mor-ogen iz klase kotani)

mor-ogenetski) proteina *$M(, opet, predstavlja okida!za promenu oblika elija u

crevima, to je nep)odno za normalno -ormiranje creva kod voni) muica. 7ktivnost

gena 9#+ i #d-u abdominskom epidermisu voni) muica, meutim, dovodi do

represije Dll gena #engl. distal-less(. oto Dll kodira transkripcioni -aktor sa

)omedomenom koji promovie razvie udova, njegova represija u abdomenskom

epidermisu spre!ava pojavu nogu na "pogrenom" delu tela muica #stomaku(.

rilikom oblikovanja telesnog sklopa, /o+ geni mogu direktno da deluju na

aktivnost gena koji realizuju #"geni realizatori"(pojavu neke osobine.3a primer, kod

mieva, /o+a12se normalno ispoljava tokom razvia autopoda #to su distalni delovi

primordijalnog tkiva od koji) nastaju strukture kao to su apice mieva(. >ktopi!ka

aktivacija /o+a12du razvijajui) udova dovodi do velikog smanjenja primordijalne

proksimalne )rskavice, iz koje se normalno razvijaju kosti ulna i radijus. 0vaj -enotip

se povezuje sa /o+a12*zavisnim poveanjem )omo-ili!ne elijske ad)ezije u

proksimalnim delovima primordijalne )rskavice. Mievi kod koji) je /o+a12

ne-unkcionalan imaju niz abnormalnosti prstiju, karpalni) i tarzalni) kostiju.

Kod sisara, /o+geni su direktno uklju!eni i u razvie krvni) elija. /o+a18je

uklju!en u kontrolu razvia mijeloidni) i eritroidni) elija u kotanoj sri. 3a primer,

eksperimentalno poveana ekspresija /o+a18 u kulturi mijelomonocita #to su

pluripotentne elije koje se di-erenciraju u imunske elije kao to su granulociti,


37/89

dendri!ke elije i monociti( dovodi do prevremenske di-erencijacije u monicite i

zaustavljanja daljeg rasta.

Eedan od na!ina kako /o+ geni reguliu pojavu razli!iti) mor-oloki)

-enotipova jeste putem odbacivanja grupe elija koje nisu deo "eljenog" oblika tkiva.

0dravanje granice izmeu maksilarni) i mandibularni) delova glave kod voni)

muica, primerje ove "vajarske" aktivnosti /o+gena. 0va granica se -ormira tako to

dolazi do lokalne apoptoze elija izmeu maksilarnog i mandibilarnog dela glave, a

ona se odigrava za)valjui genu rpr #engl. reaper( koga, opet, regulie Dfd #engl.

deformed( /o+ gen drozo-ile. Kod voni) muica, /o+ geni takoe reguliu i

apoptozu neop)odnu za korektno pozicioniranje glave, a kod mieva kontrola

apoptoze se ostvaruje tokom -ormiranja ki!menog stuba.

oslednji) godina nakupilo se mnogo primera koji jasno ukazuju da su

mutacije u /o+ genima predstavljale zna!ajan !inilac u mor-olokoj evoluciji

$ilateria, odnosno da je telesni sklop ivotinja evoluciono menjan usled mutacija u

nekim delovima regulatorne mree koju kontroliu /o+geni.

Mnoge od mor-oloki) promena kod ivotinja uslovljene su mutacijama u cis*

regulatornim elementima /o+gena. 3a primer, varijacije u obrascima ekspresije 9#+

i #d- ortologni) gena kod razli!iti) grupa rakova u visokoj su korelaciji sa

evolucijom nji)ovi) prednji) udova na toraksu u specijalizovane organe za is)ranu

#maksilipedija(. Kod srodni) vrsta Drosophila, varijacije uslovljene malim

promenama u cis*regulatornim elementima 9#+gena u korelaciji su sa razlikama koje

se uo!avaju izmeu vrsta u broju dla!ica na -emuru drugog para nogu.

3a osnovu uvida u to kako /o+ geni odreuju broj ki!meni) prljenova u

razli!itim delovima tela, moemo zaklju!iti i kako isti /o+gen moe u!estvovati u

oblikovanju speci-i!ne telesne strukture ki!menjaka. oreenjima obrazaca ekspresije

/o+gena sa regionalnim tipom ki!meni) prljenova, zaklju!ilo se da regionalni tipprljenova zavisi od grupisanja ti) gena u somitima. 3a primer, mi ima pet

potilja!ni), sedam vratni), 1/ grudni), est slabinski) i !etiri krsta!na ki!mena

prljena. Kod kokoaka, s druge strane, postoji pet potilja!ni), 16 vratni), sedam

grudni), devet slabinski) i !etiri krsta!na ki!mena prljena. Kod obe grupe ivotinja,

/o+c3 gen je aktiviran na kraju vratni) prljenova, a /o+c na po!etku grudni)

prljenova. Meutim, kod mieva to se deava na granici izmeu 1. i 1/. prljena,

dok je kod kokoaka to izmeu %. B 1. i . ki!menog prljena #slika /.'(. Dakle, kod

'


38/89

ki!menjaka, do promene u mor-ologiji moe doi ukoliko se promeni oblast

ekspresije /o+gena.

lika/.'.)ematskiprikazekspresije/o+genakojiu!estvujuuodreivanjubrojaki!meni)prljenovakodkokokeimia#premaAilberti>pel,%(.


39/89

Ganimljiv primersu zmije koje imaju stotine sli!ni) ki!meni) prljenova #sa

graom grudni) prljenova(. Gmije su evoluirale od predaka sli!ni) savremenim

guterima, dakle od ivotinja sa parnim udovima i jasno regionalizovanim aksijalnim

skeletom. rou!avanja ekspresije /o+ gena kod embriona zmija, pokazala su da je

"evoluciona respeci-ikacija" drugi) prljenova prema grudnim, povezana sa irenjem

oblasti delovanja /o+c: i /o+c; gena koji kontroliu grudne prljenove #2o)n i

:ickle, 1%%%(. + poreenju sa guterima, kod zmije


40/89

=egion gde se ina!e -ormiraju prednji udovi kod drugi) gmizavaca, ne u!estvuje u

nji)ovom stvaranju. =azvie zadnji) udova kod zmija in)ibirano je na drugi na!in,

verovatno odustvom ekspresije neki) gena iz Jedg)og signalnog puta. aleontoloki

podaci takoe pokazuju da je kod predaka zmija do gubitka prednji) udova dolo

ranije.

Gmije i guteri se svrstavaju u red Zuamata za koji je pokazano da imaju

neto druga!iju organizaciju jata /o+gena nego drugi ki!menjaci, uklju!ujui i druge

redove gmizavaca. Kod Zuamata, jata /o+ gena su znatno vea, pre svega zbog

poveanja intergenski) regiona i introna #Di*oi i sar., 1(. :akoe, za razliku od

drugi) ki!menjaka koji oko /o+gena imaju vrlo malo mobilni) elemenata #videti deo

.(, u jatima JoQ gena gutera i zmija nalaze se brojni mobilni geneti!ki elementi

#;3>, 9;3>, D3K transpozoni(.7tipi!na struktura jata /o+ gena kod Zuamata,

posebno prisustvo mobilni) elemenata, ukazuje da je to najverovatniji razlog za

uo!ene promene na!ina regulacije /o+ gena, koje se u najdrasti!nijem vidu

ispoljavaju kod zmija. Detaljnije analize e pokazati da li je veliko prisustvo mobilni)

geneti!ki) elemenata dovelo do epigeneti!ke modi-ikacije gena u /o+jatima zmija.

Gbog evoluciono mali) promena u )omeoblokovima i u pozicijama unutar

grupa, na osnovu /o+ gena mogue su i -ilogenetske analize velikog broja kola

Metazoa. 3aravno, prilikom ovi) analiza ne treba zaboraviti da velika

konzervativnost nukleotidni) nizova ne mora obavezno zna!iti i da je nji)ov e-ekat na

razvie ostao tokom evolucije nepromenjen. Drugim re!ima, regulatorna uloga

pojedini) /o+ gena kod savremeni) organizama ne mora u potpunosti odgovarati

onoj koju su oni imali kod daleki) predaka ti) taksona. 3a primer, poznato je da se

/o+a7 i /o+d7 geni sekvencijalno aktiviraju tokom razvia udova ki!menjaka,

meutim, ti geni ne samo da su ortologni sa #d( genom drozo-ile, ve i sa egl3

genom nematode Caenorha#ditis elegans :o naravno zna!i da su ti geni nastalidalekopre nego to su se pojavili udovi.

Gna!aj /o+gena, za razvie i evoluciju ki!menjaka, uo!en je i preko prisustva

jednogbroja tzv. atavisti!ki) osobina koje su nastajale posle gubitka nekog od gena sa

)omeoblokovima. 3a primer, gubitak #ili naruavanje -unkcije(/o+a=gena dovodi

kod mieva do trans-ormacije drugog luka drela u kopiju prvog luka. Mutantni -etusi

zbog toga nemaju uni stremen #stapes(i stiloidne kosti koje se -ormiraju iz drugog

luka, ali, zato, imaju viak drugi) kostijuF !ekia #malleus(, nakovnja #incus(,timpani!ne i skvamozne kosti. Kod takvi) embriona mieva se, takoe, uo!avaju

%


41/89

tapiaste )rskavice koje se spajaju u tzv. alis-enoidne elemente, !iji je zadnji kraj u

kontaktu sa nakovnjem koji je u viku. Ganimljivo je da ovakve -ormacije ne postoje

ni kod jednog sisara, ali se sli!ne strukture javljaju kod gmizavaca #postoji

)omologija sa tzv. pterigokvadratnom )rskavicom gmizavaca(.

Eedan od rezultata analize velikog broja genoma savremeni) organizama jeste

i "detroniziranje" ce-alo)ordata #npr. am-ioksus( kao sestrinske grupe vertebrata

#2anestro i sar., '(. estrinskom grupom )ordata danasse smatraju uro)ordate #u

koje ulaze ascidije i larvace(. 0va napomena je bila vana jergrupisanje u jata /o+

gena postoji kod ce-alo)ordata i vertebrata, to zna!i da je takav raspored /o+gena

imao i poslednji zajedni!ki predak svi) ivotinja sa bilateranom simetrijom tela.

+ro)ordate, koje su se kasnije od ce-alo)ordata odvojile od evolucione linije koja je

vodila prema savremenim )ordatama, meutim, nemaju /o+gene u jatima vesu oni

raspreni u dve ili vie grupa. 3a primer, ascidija Cionaintestinalisima % /o+gena

koji se nalaze na pet razli!iti) pozicija u genomu, a kod jedne larvace, Oikopleura

dioica, svaki od % /o+gena nalazi se na drugom mestu u genomu. Arupisanje /o+

gena u jata je vano za, kako smo ranije rekli, temporalnu kolinearnost, koja je

prisutna kod ce-alo)ordata i vertebrata, a retinoi!na kiselina predstavlja glavni

regulatortemporalne kolinearnosti. Arupa larvace je jedina meu uro)ordatama koja

kod adulta odrava telesni sklop )ordata, ali kod nje ne postoje geni neop)odni za

-unkcionisanje retinoi!nog sistema temporalne regulacije razvia. oto je kod

ce-alo)ordata prisutan sistem temporalne regulacije /o+ gena pomou retinoi!ne

kiseline, to zna!i da su larvace sekundarno izgubile ovaj sistem regulacije, i da one

koriste neki alternativni na!in regulacije /o+gena. Ganimljivo je takoe da ascidije,

druga grupa uro)ordata, poseduju elemente retinoi!nog sistema, ali ga ne koriste u

regulaciji /o+ gena, ve, verovatno, za -unkcije, kao to su regeneracija tkiva i

aseksualno razmnoavanje.3ajverovatniji razlog odsustva retinoi!nog sistema regulacije kod uro)ordata

jeste odsustvo organizacije /o+gena u jata. ostavljena je )ipoteza prema kojoj je

snana selekcija za brzo razvie i kratak ivotni ciklus#kod Odioicageneracija traje

samo 1 dana( istovremeno dovela do smanjenja genoma i do pojave tzv.

determinativnog rasta #na!in razvia kod kog je sudbina elija odreena u vrlo ranim

-azama embrogeneze(, to je smanjilo zavisnost koordinisane embriogeneze od

ekstraelijski) signala poput retinoi!ne kiseline #2anestro i sar., '(. oto je svakosmanjenje genoma obi!no praeno brojnim rearanmanima )romozoma, jata /o+

/


42/89

gena su razbacana po genomima uro)ordata, to je, opet, dovelo do gubljenja neki)

me)anizama kontrole nji)ove ekspresije.

lika/.&.manjenjegenoma imor-ologija.+ro)ordate imajudeterminativan na!in razvia imale genome u kojima odsustvuje temporalna kolinearnost u ekspresiji /o+ gena. Koduro)ordata, takoe,odsustvuje i sistem zaD3Kmetilaciju #videtipoglavlje.6././(.remaF2anestroisar.#'(.

3eke analize )omologije izmeu /o+ gena kod Metazoa #


43/89

3.0.0.Postanak!#o%,-!&a)#nasa'o+#1%oko!+a

oslednji) godina, pored jata /o+ gena, otkrivene su jo dve grupe gena sa

)omeoblokovima koje su zna!ajne za razvie ivotinja #Aarcia*?ernandez, H(.

rvu grupu !ini tzv. paraJoQ jato koje je nastalo, kao i JoQ jato, duplikacijom

preda!kog protoJoQ jata vrlo rano u evoluciji metazoa. +drugu grupu spada tzv.3Kjato #ime je dobijeno po prvim slovima prezimena nau!nika koji su ga otkrili B

3iremberga i Kima(, srodno kako JoQ tako i paraJoQ jatu. Kod neki) evolucioni)

linija sva tri jata nalaze se u istim regionima genoma jedno uz drugo, kao to je,

najverovatnije, bilo u ranim -azama evolucije metazoa #slika /.%(. 0va tri jata gena sa

/1


44/89

)omeoblokovima Aarsija*?ernandez naziva "mega jato" #!esto se naziva joi 73:

klasom gena sa )omeoblokovima prema prvootkrivenom )omeoti!nom mutantu kod

drozo-ile *'antennapediaI(

lika /.%. >volucija megajata odigravala se kroz seriju tandemski) duplikacija #premaFAracia*?ernandez,H(.

>kspresija ove tri srodne grupe gena sa )omeoblokovima povezana je, izgleda,

sa pojavom i evolucijom tri embrionska klicina lista. /o+geni se ispoljavaju u svim

klicinim listovima, ali preteno u ektodermu.


45/89

organima endodermskog porekla, a &>geni u organima mezodermskog porekla. JoQ

jato se kod voni) muica i vertebrata naj!ee ispoljava u ektodermskim i

neuroektodermskim tkivima, a analiza eksresije ovi) gena kod am-ioksusa ukazuje da

je osnovna -unkcija JoQ jata kod )ordata bila vezana za -ormatiranje neuroektoderma,

i to kako centralnog nervnog sistema tako i peri-ernog nervnog sistema. Kodam-ioksusa,


46/89

grupu /, centralnu grupu #2(i posteriornu grupu #(. Mada se postanak /o+gena jo

uvek ne moe rekonstruisati sa veom sigurnou, veruje se da je poslednji zajedni!ki

predak protostoma i deuterostoma mogao imati jedno jato sa '*% gena #slika /.1(.

0vo jato se zatim povealo kod )ordata do 16 !lanova. otpune duplikacije jata, sa

gubitkom pojedini) gena, dovele su do pojave /% gena rasporeeni) u 6 jata, koji se

danasvidi kod sisara, i do 16 jata kod koljoriba.


47/89

lika/.1.>volucijaJoQjatakodmetazoa.trelicamasuozna!enepojavezna!ajni)osobinametazoa#premaFAarcia*?ernandez,H(.


48/89

protostome i deuterostome. Kod )ordata ovo jato nije vie kompaktno ve je

razdeljeno na tri grupe.

3.3.Mo7,%a(nao()an!*a-!&a(a*!$a!#o%,-!&at#%#sn!'sk%o2oa

;majui u vidu da je individualno razvie vieelijski) organizama sloeno i sa

vrlo usklaenim procesima, postavlja se pitanje kako su bile mogue razli!ite

modi-ikacije pojedini) delova organizama, a da se pri tome ne ugroze pret)odno

dostignuta stanja drugi) delova. Do takvi) modi-ikacija je dolazilo zato to se

individualno razvie odvija kroz interakcije manjeg ili veeg broja relativno stabilni)

modula. 0rganizmi su "konstruisani" od jedinica koje su relativno ko)erentne unutar

sebe, a opet su delovi vei) jedinica. Pelije su delovi tkiva, koji su, opet, delovi

organa koji !ine organske sisteme i, kona!no, organizam u celini. >volucija

geneti!ki) me)anizama koji kontroliu individuaciju razli!iti) delova tela, poput

transkripcioni) -aktora sa )omeoblokovima i modularne organizacije cis*regulatorni)

elemenata #o tome smo detaljno govorili u delu .6.1(, omoguila je relativnu

nezavisnost procesa razvia ti) delova tela. 3a taj na!in, na primer, prednji udovi

ki!menjaka mogli su kod ptica evoluirati u krila, dok su zadnji udovi zadrali -unkciju

u )odanju. =azdvajanje me)anizama kontrole razvia udova kod ki!menjaka

omoguavalo je, opet, da se na prednjim udovima pojavi perje, a na zadnjim zadre

krljuti. Dakle, modularnaorgani!aciara!vi"aomoguava razli!itim delovima tela

da se menjaju, a da se, pri tome, ne ugroavaju druge telesne -unkcije.

Moda najspektakularnija ilustracija izre!enog predstavlja eksperiment sa

vonom muicom, u kome su, ubacivnjem jednog gena #eyeless( iz


49/89

lika/.11.=azvieo!ijukodvonemuice. a.3ormalmamuica sao!ima.b.Muicabezo!ijunastalaeyelessmutacijom#genjeizaQ-amilijegenasa)omeoblokovima(.c.Muicesao!imanaantenamaid.krilima#premaF2arrollisar.,1(.

Klju! za razumevanje na!ina kako


50/89

jednog introna #7dac)i i sar., /(. + tim nizovima se nalazi poja!ava! sa

elemenata, !ija je prose!na duina oko 1 kb, koji kontroliu speci-i!ni obrazac

prostorne ekspresije


51/89

lika /.1.0rganizacijapoja!ava!a kod gena za rodopsin i


52/89

telesnog sklopa #predstavljaju suenja u opsegu evolucioni) promena(, ali se -aze i

pre i posle tog stupnja mogu u veem stepenu menjati tokom evolucije. Kod

1% 0slanjajui se na embriologe svog vremena, pre svi) -on $era, Darvin je zastupao to gledite. Kadasu u pitanju ki!menjaci, -on $er je ukazivao na nji)ovu veliku sli!nost tokom perioda organogeneze i

divergenciju u zavrim -azama razvia. ?on $erovi konzervisani embrionski stupnjevi danas se !estonazivaju -ilotipskim stupnjevima. 3aime, uobi!ajena de-inicija -ilotipski) stupnjeva je da su tostupnjevi koji imaju najvei broj konzervisani) mor-oloki) karakteristika u odnosu naspecijalizovane karakteristikeI #=ic)ardson, 1%%%, str. 6(. $iogenetski zakon >. Jekela takoe jegovorio o "terminalnoj adicijiI, odnosno da do mor-oloki) promena tokom evolucije dolazi preteno

putem dodavanja novi) karakteristika na konzervisane preda!ke embrionske stunjeve.

Easno je, naravno, da konzervisanost bilo kog stupnja ontogenije ne treba apsolutizovati. ;ako sli!neu osnovnim strukturama, -aze razvia razli!iti) grupa, unutar istog bazi!nog telesnog sklopa, mogu serazlikovati u veoj ili manjoj meri.

/


53/89

ki!menjaka, na primer, -ilotipskim stupnjem se smatra -aza razvia pod imenom

-aringula u kojoj se prvi put uo!avaju osnovne karakteristike svi) ki!menjaka, kao to

su noto)orda i dorzalno postavljen nervni sistem. Ganimljivo je da razli!ite grupe

ki!menjaka tokom embriogeneze dostiu stupanj -aringule na razli!ite na!ine B ribe,

gmizavci i ptice nakon razli!iti) oblika meroblasti!nog brazdanja, vodozemci posle

radijalnog )oloblasti!nog brazdanja, a sisari nakon stvaranja blastocista, )oriona i

amniona.

Klju! za razumevanje kako prirodna selekcija moe usloviti divergenciju

mor-oloki) osobina kod vrsta koje poseduju sli!an ili identi!an geneti!ki osnovni

alat, lei u modularnosti razvia. Da bismo ovo razumeli moramo razjasniti ta

podrazumevamo pod iskazom da je neka osobina pod "delovanjem prirodne

selekcije". rema =i!ardsonu #=ic)ardson, 1%%%( to moe da zna!i dve stvari. 3a

nivou potpuno -ormirani) adultni)-enotipova to podrazumeva da su, na primer, ljiljci

koji lete naje-ikasniji lovci i zbog toga su kod nji)ovi) davni) predaka prednji udovi

trans-ormisani u krila. 3a drugom nivou, to zapravo zna!i da je prirodna selekcija

delovala na gene #genotipove(koji kontroliu -ormiranje prednji) udova. =i!ardson je

ovo ilustrovao na primerima razvia prednji) i zadnji) udova kod ljiljaka i ptice

neleta!ice B kivija. Delovanjem prirodne selekcije na adultne -enotipove, prednji

udovi ljiljaka su izdueni, a kod kivija su redukovani #slika /.1/(. Meutim, na!in

kako su selektovani -enotipovi evoluirali ostvaren je putem promena u genima koji

kontroliu razvie udova u prvim -azama nji)ovog razvia. rednji udovi kod ljiljaka

nisu postali izdueni posle raanja, veje nji)ovo razvie krenulo ranije nego to je

uobi!ajeno za druge ki!menjake, tako da tek roeni ljljci imaju mnogo due prednje

udove od zadnji). 3a istom stupnju embrionskog razvia, kivi, meutim, ima mnogo

manje zametke prednji) udova, a vee zametke zadnji) udova, iako je kod veine

ptica i sisara na tom stupnju razvia slika obrnuta. Dakle, iako prirodna selekcijadeluje na adultnumor-ologiju, evolucija adaptivni) -enotipova se postie promenama

u parametrima ranogem#rionskogra!vi"a. +ovom slu!aju za!eci prednji) udova se

ponaaju kao razli!iti moduli.

/'


54/89

lika/.1/.ojavaprednji)udova tokom razviakodkivija #gore( i ljiljaka #dole(.remaF=ic)ardson#1%%%(.

7ko prirodna selekcija moe da deluje na vrlo rane stupnjeve razvia, zato su

onda embrioni razli!iti) ki!menjaka, da se zadrimo samo na toj grupi organizama,

toliko sli!ni, i zato se razlike pojavljuju u relativno kasnim -azama razviaO

=i!ardson nudi dva mogua objanjenja. rvo, u brojnim studijama embriolozi su

pokazali da postoji manji ili vei vremenski pomak izmeu #eksperimentalno(

izazvane promene u geneti!kim me)anizmima kontrole razvia i njene -enotipske

ekspresije. Drugo, pokazano je, takoe, da se !ak i vrlo male promene u ranim -azama

razvia mogu viestruko ampli-icirati tako da se u kasnim -azama ispoljavaju kao vrlo

velike razlike u mor-ologiji.oto je razvie modularno, razli!iti tipovi promena u ekspresiji gena mogu

dovesti do pojave novi) -enotipova kod polno zreli) jedinki. 0vde emo u najkraim


55/89

crtama neto rei o !etiri tipa promena ekspresije gena tokom razviaF 1.

)etero)roniji, . )eterotopiji, /. )eterometriji i 6. )eterotipiji. Jetero)ronija,

)eterotopija i )eterometrija menjaju oblike razli!iti) -enotipski) osobina putem

promena u cis*regulatornim elementima #pre svega poja!ava!a(gena tokom razvia, a

)eterotipija se odnosi na promene trans*regulatora.

3.3.1.4#t#(o'(on!&a

Jetero)ronija predstavlja promenu u vremenu po!etka, kraja i brzini procesa

razvia odreeni) mor-oloki) osobina potomaka u odnosu na pretke. =azli!iti tipovi

)etero)ronije se mogu de-inisati prema tome kada se, u odnosu na neki stupanj

razvia #obi!no polno zrele jedinke(, odreena veli!ina ili oblik razvijaju kod

/&


56/89

potomaka, a kada kod predaka. Mi se na ovom mestu neemo uputati u analizu uloge

razli!iti) tipova )etero)ronije u oblikovanju adultni) -enotipova.

?ormiranje udova kod ljiljaka i kivija predstavlja primere )etero)roni!ni)

promena. Jetero)ronija udova je, ina!e, !esta kod ki!menjaka5 kod torbara, na

primer, prednji udovi se tokom embriogeneze razvijaju bre nego kod placentalni)

sisara B dui prednji udovi omoguuju embrionima torbara da se !vre dre u

maj!inoj torbi. Kod neki) zmija, ciklusi segmentacije su za oko !etiri puta bri tokom

-ormiranja rebara nego kod srodni) grupa #neke vrste zmija imaju i do H rebara(.

Do danas je izneto mnogo )ipoteza o ")etero)roni!nom poreklu" mnogi)

biljni) i ivotinjski) grupa, koje se svrstavaju u razli!ite taksonomske kategorije B od

podvrste do kola. 3a primer, postoje tvrdnje da je )eterosporija #stvaranje dva tipa

spora( kod biljaka inicirana ranijim po!etkom gameto-itne generacije )omosporni)

biljaka. Kao primer )etero)ronije uzimaju se i sukulentne biljke5 smatra se da je

sukulentnost #lat. succulentus B bogat sokom( kod kaktusa evoluirala putem

usporavanja razvia tkiva u nadzemnim organima.

:okom procesa adaptacija organizama na varijabilne uslove ivotne sredine,

posebno su zna!ajne )etero)roni!ne promene koje uti!u na na!in ukrtanja jedinki u

okviru populacija. =ecimo, dobro je poznato da razli!ite biljne vrste stvaraju dva tipa

cvetovaF )azmogame #koji se otvaraju(i kleistogame #koji se ne otvaraju i kod koji)

se ostvaruje samoopraivanje(. Kleistogamija #kao karakteristika date vrste ili kao

-enotipska plasti!nost kod mnogi) biljaka(najverovatnije nastaje kao odgovorbiljaka

na ivotnu sredinu u kojoj su polinatori odsutni, ili vrlo retki #smatra se da sami

polinatori nisu uzrok pojave kleistogamije, veodreeni uslovi ivotne sredine koji su

nepogodni za polinatore B na primer, smanjenje intenziteta svetlosti(. Kod biljke

Collomia grandiflora #olemoniaceae( je, na primer, pokazano da su promene u

veli!ini i obliku pranika, koje karakteriu kleistogame cvetove, posledica smanjenjastope elijske deobe u kriti!nom momentu razvia cveta. oto je )azmogamija

-ilogenetski stariji oblik cveta, )etero)roni!ne promene omoguavaju biljkama

sticanje alternativni) na!ina ukrtanja koji, !ak i pod vrlo nepovoljnim uslovima

ivotne sredine, obezbeuju razmnoavanje.

rimerkombinacije )etero)roni!ni) i ne)etero)roni!ni) promena postoji kod

morski) jeeva. 0snovni sled dogaaja, tj. -ormi, tokom individualnog razvia kod

morski) jeeva jeF zigot larva pluteusjuvenilni oblik adult. Mada se

/%


57/89

juvenilni i adultni oblici morski) jeeva /eliocidaristu#erculatai /erythrogramma

prakti!no ne razlikuju, razlike se uo!avaju kod larve pluteus. 9arveno razvie kod /

erythrogramma traje vrlo kratko #svega dva dana(, pri !emu se pluteus ne )rani i

izgleda sasvim druga!ije od larve /tu#erculatakoja se )rani i traje nekoliko nedelja.

=aniji po!etak #i jednako trajanje( juvenilne -aze dovodi do izomor-izma adultni)

oblika ove dve vrste morski) jeeva. matra se, meutim, da razli!ite larvene

mor-ologije nisu rezultat )etero)ronije, ve dodavanja novi) elemenata u geneti!ki

program predaka #c)lic)ting i igliucci, 1%%&(.

Aeneti!ki me)anizmi koji kontroliu )etero)roni!ne promene, mogu se

podeliti u dve grupe #=a--i CraL, 1%&%(B u prvoj grupi ovi me)anizmi su direktno

uklju!eni u vremensku kontrolu procesa razvia, a drugoj nisu. Meu me)anizmima

koji direktno uti!u na vreme po!etka odreeni) procesa tokom razvia, nalaze se

kasna ekspresija duplirani) gena i promene u vremenu po!etka mitoza, usled !ega se

produavaju odreene -aza razvia. Drugi oblici )etero)ronija mogu se, meutim,

ostvariti delecijama gena koji su aktivni tokom rani) -aza razvia ili ranijom

aktivacijom gena koji karakteriu adultni period razvia. rimeri me)anizama koji ne

uti!u direktno na vremensko ispoljavanje razli!iti) osobina, uklju!uju odsustvo veza

izmeu lezda koje stvaraju )ormone, i tkiva koja reaguju na te )ormone #ili, u nekim

slu!ajevima, nereagovanje odreeni) tkiva na )ormonski stimulans(.

3.3.0.4#t#(oto2!&a

ostoje dve koncepcije )eterotopije #Gelditc), (. rema prvoj, koja isti!e

mor-oloke rezultate razvia date osobine, )eterotopija je promena mesta, tj.

"rearanmani" delova tela. + medicini, kada se govori o abnormalnom poloaju

razli!iti) delova tela, ova koncepcija ima poseban zna!aj. Koncepcija )eterotopije kao

procesa, meutim, uklju!uje evolucione promene u poloaju ili prostornom

oblikovanju osobina tokom razvia. :e promene se mogu odnositi na mesto gde se

obavljaju induktivne interakcije ili na pozicionu in-ormaciju, ali, isto tako, i na

promene u prostornoj raspodeli mor-ogenetski) signala ili polja. 3a primer, promene

u pozicionoj in-ormaciji desile su se tokom evolucije u mor-ologiji udova sisara, koje

su uticale ne samo na to gde e se nalaziti udovi, vei koji tip udova e biti razvijen.

Ga razliku od )etero)ronije, koja predstavlja promene u brzini i vremenu #na

drugi na!in nepromenjene(ontogenije, )eterotopija uvek podrazumeva vee ili manjepromene preda!ki) ontogenija. Jeterotopijom mogu nastati inovacije5 na primer,

6


58/89

promena mesta polja rasta moe dovesti samo do izmena u proporcijama pojedini)

kostiju. $udui da )eterotopija moe usloviti veoma velike promene u na!inu razvia

osobina, smatra se da takvi) dogaaja nije bilo mnogo tokom evolucije ivotinja.

;zgleda, meutim, da je evolucija biljaka bila obeleena zna!ajnijim u!eem

)eterotopije #


59/89

lika /.16.+logagena$M6 i njegovog in)ibitoraGremlina u obrazovanjuopni izmeupristijuplovki#premaFAilberti>pel%(.

:okom razvia udova kod svi) embriona ki!menjaka, izmeu prstiju postoji

mrea vezivnog tkiva i koe. Kod kokoaka #isto je i kod ljudi(elije koje ulaze u

sastav te mree doivljavaju tokom embriogeneze apoptozu pod delovanjem

61


60/89

parakrinog -aktora $M6 #engl. #onemorphogeneneticprotein 6(, tako da se pilii

izleu bez opni na zadnjim nogama #slika /.16(. lovke, meutim, imaju izmeu

prstiju na nogama opne #to je o!igledna adaptacija za plivanje(, uprkostome to se i

kod nji) (mp6gen ispoljava tokom razvia prstiju. Do apoptoze elija izmeu prstiju

plovki ne dolazi zbog prisustva in)ibitora (mp6 gena. :o je protein gremlin koji

stvara istoimeni gen. 0vo je primer)eterotopije zato to se i kod kokoaka ispoljava

Gremlingen, ali ne na istom mestu kao kod plovki. Kod kokoaka #i ljudi(gremlin

gen se ispoljava oko )rskavi!avi) skeletni) elemenata prstiju, ali ne i u mrestoj opni

izmeu prstiju kao kod plovki.

3.3.3.4#t#(o+#t(!&a

Jeterometrija predstavlja promenu u koli!ini proizvoda gena. Jeterometrijske

promene se mogu ilustrovati na primeru evolucije kljuna kod zeba sa Aalapagoski)

ostrva #"Darvinove zebe"(.


61/89

lika /.1H. >volucija oblika kljuna kod Darvinovi) zeba. a. =azvie kljuna kodpticajetrodimenzionalnastrukturakojasemoemenjatidusve triose.b.Modelmogueevolucijeoblika kljuna kod !etiri vrste Darvinovi) zeba zasnovan na interakciji CaM i(mp6 gena

#premaFCagnerisar.,'(.

Darvinove zebe se meusobno razlikuju po nizu osobina #boji perja, veli!ini

tela, razli!ito se ponaaju, itd(. Meutim, najizrazitije razlike ogledaju se u veli!ini i

obliku kljuna, posebno kod vrsta koje naseljavaju isto ostrvo. 0blik i veli!ina kljuna

su u visokoj korelaciji sa na!inom is)rane ti) ptica. :ako, na primer, simpatri!ke vrste

roda Geospi!a, koje naseljavaju nie predele na ostrvu i )rane se semenkama, imaju

6


62/89

veoma razli!ite kljunove5 G magnirostris ima masivan i snaan kljun a )rani se

krupnim i !vrstim semenkama, Gfortis, koja za is)ranu koristi sitnije semenke, ima

neto manji kljun, dok su kod vrsta koje se )rane semenkama, polenom i nektarom iz

kaktusovog cveta #Gscandens i G conirostris( kljunovi izdueni i manje snani

#slika /.1H(. Mor-ometrijske analize su pokazala da evolucija razli!iti) oblika

kljunova zavisi od tri osobineF duine, visine i irine kljuna. rema rezultatima

molekularno bioloki) analiza, tri osobine kljuna kontroliu dva razli!ita gena B

kalmodulinski gen CaMi(mp6gen #7bz)anov i sar., (.

Kod svi) ptica, (mp6 gen, pored pomenute uloge u razviu opni izmeu

prstiju, uklju!en je i u kontrolu deobe elija u kljunu i od njega zavise brojne species*

speci-i!ne razlike u obliku kljunova #kao na primer oblici kljunova kokoaka i

plovki(. >kspresija (mp6 u mezen)imu embriona zeba sa snanim kljunovima #G

magnirostris i Gfortis( po!inje ranije i znatno je intenzivnija nego kod para zeba

koje se )rane na kaktusima. 0vakav obrazac ekspresije poklapao se sa irinom i

visinom kljuna kod sve !etiri vrste zeba #precizne analize su pokazale da po!etak i

nivo ekspresije ovog gena zavisi od poja!ava!a (mp6gena(.

Gebe !ija is)rana preteno zavisi od kaktusa #imaju duga!ke kljunove(

pokazuju vii nivo kalmodulina u embrionskim kljunovima od zeba koje se )rane

!vrstima semenkama. Da je duina kljuna stvarno uslovljena CaMgenom pokazali su

eksperimenti na kokokama B kada se eksperimentalno povea ekspresija ovog gena

kod embrionski) kljunova, izleeni pilii maju znatno due kljunove od uobi!ajeni).

oto oblik kljuna kod Darvinovi) zeba zavisi od koli!ine proizvoda (mp6 i

CaMgena tokom razvia kljuna, toje primer)eterometrije.

3.3.8.4#t#(ot!2!&a

Jeterotipija predstavlja promene razvia uzrokovane mutacijama u trans*regulatornim genima. Kod insekata, /o+geni imaju, pored brojni) -unkcija, i vanu

ulogu u odreivanju broja nogu. :ri para nogu savremeni) insekata nalazi se

isklju!ivo na toraksu. oto mnoge druge artropode imaju noge i na abdomenu,

smatra se da su i preci savremeni) insekata imali noge na tom delu tela. Da je to

stvarno moglo biti tako potvruju -osili neki) primitivni) insekata sa malim noicama

i na abdomenu. Dakle, tokom razvia savremeni) insekata spre!eno je -ormiranje

abdominalni) nogu.

6/


63/89

Kako je do toga dolo pokazali se eksperimenti na vonim muicama. Kod

veine artropoda, protein koji stvara 9#+gen #jedan od /o+gena(ne in)ibira Distal*

lessgen odgovoran za razvie abdominalni) nogu. Kod drozo-ile, meutim, mutacija

u 9#+genu, koja je dovela do pojave niza od desetak ponovaka aminokiseline alanina

na /Wkraju proteina, uzrokuje represiju Distal-lessgena.

matra se da je !ovek selektivnim ukrtanjima trans*regulatorni) mutanata

biljke teozinte stvorio savremeni kukuruz, @eamays. >-ekti mutacija tri razli!ita gena

#ozna!avaju se kao Tp1, Tp=, i Tp2(kod savremenog kukuruza veoma podseaju na

pretpostavljene pretke kukuruza. 3a primer, ove mutacije poveavaju broj

vegetativni) struktura, klipova i zaperaka, a smanjuju veli!inu listova, metlica i

duinu internodija. :akoe, one dovode do trans-ormacije reproduktivni) organa u

vegetativne delove kukuruza #tj. deluju kao )omeoti!ni geni(. Mutacije sva tri gena

menjaju -enotip putem produavanja ekspresije vegetativnog programa razvia i

tokom reproduktivne -aze.


64/89

lika/.1.Jeterotipijakodkukuruza.7.Klipsavremenogkukuruza.$.3ormalnacvatkodteozinte. 2. :eozinte sa Tga1 alelom iz kukuruza. D. Kukuruz sa Tga1 alelom iz teozinte#premaFAilberti>pel,%.

0d posebnog ekonomskog zna!aja je mutacija koja oslobaa zrna kukuruza od

pleve #slika /.1(, a vezuje se za gen Tga1 #engl. teosinteglume architecture( koji

oblikuje ar)itekturu pleve kod teozinte. 0vaj gen je transkripcioni -aktor aktivan

tokom razvia cvata #"klipa"( biljke. Kada se kukuruzov Tga1 eksprimira u biljci

66


65/89

teozinte, razvijaju se zrna sli!na kukuruzu i obrnuto #slika /.1(. Ganimljivo je da

samo jedna aminokiselinska zamena u Tga1 genu #na poziciji zamenjen lizin sa

asparaginom( proizvodi opisani e-ekat #penica i pirina! imaju teozinsku varijantu

Tga1gena(.

3.8.Onto)#n#tskao)(an!#n&a!#o%,-!&a

Kako smo mogli videti iz pret)odni) razmatranja, tokom evolucije na razli!ite

na!ine su se menjali programi razvia uzrokovani brojnim promenama u geneti!koj

razvojnoj maineriji. Dakle, evoluciju ontogenetski) putanja moemo posmatrati kao

rezultat promena gena !ije interakcije lee u osnovi sistema razvia. Meutim,

evoluciona biologija razvia bavi se i obrnutim smerom pitanja B koliko i na koji

na!in razvie uti!e na evolucijuO

Eedno od konkretni) pitanja koje u tom smislu moemo postaviti jeste zato se

sve ivotinje na osnovu telesni) sklopova svrstavaju u svega tridesetak grupa #kojima

se daje rang kola ili -iluma(, iako vrlo lako moemo zamisliti ivotinje sa telesnim

sklopovima koji uopte ne postojeO ;li, zato ne postoje terestri!ni ki!menjaci sa est,

osam ili vie nogu, ve svi imaju samo !etiri #!esto se zbog toga objedinjuju u

nezvani!nu grupu "tetrapoda"(, izuzimajui taksone kod koji) je dolo do

sekundarnog gubljenja noguO ;li, zato je kod terestri!ni) artropoda situacija potpuno

obrnutaO

3ajvaniji koncept na kom se zasnivaju odgovori na ovakva pitanja jeste

ontogenetskoograniAene. Ga veinu savremeni) evolucioni) biologa najpri)vatljivija

de-inicija ontogenetski) ograni!enja jeste sklonost #engl. #ias( ka stvaranju neki)

varijanti -enotipova ili postavljanje granica -enotipskoj varijabilnosti, koju uzrokuje

struktura, karakter, kompozicija ili dinamika sistema razviaI #MaLnard Bmit) i sar.,1%&(. Auld i 9uontin navode da je #auplBne#"plan gradnje"(organizama ograni!en

Snji)ovimT -ileti!kim nasleem, obrascima razvia i optom ar)itekturom" #Aould i

9e8ontin, 1%'%(. Dakle, uspostavljeni sistemi razvia, oli!eni u ograni!enom broju

interakcija izmeu molekula i izmeu modula organizma, mogu ograni!avati smer i

opseg evolucioni) promena, na due ili krae staze.

ostoji i druga!ije, danasne sasvim pri)vaeno, objanjenje za ograni!en broj

telesni) sklopova kod savremeni) i izumrli) organizama. 3aime, prema stavu kojegmoemo ozna!iti kao "panselekcionisti!ki", od date -ileti!ke polazne ta!ke nove

6H


66/89

strukture potencijalno mogu nastajati u bilo kom smeru, a prirodna selekcija je ta koja

odreuje koji e oblici postati prevalentni1. ;ako se sporovi oko relativnog zna!aja

"unutranji)" #razvie( naspram "spoljanji)" #selektivni)( usmeravajui) -aktora

vode i danas, tj. ulaze u red "ve!ni) meta-ora" u evolucionoj biologiji #. E. Aould,1%''(, prakti!no nema savremeni) biologa koji e odsustvo brojni) mogui)

-enotipski) -ormi pripisati isklju!ivo nji)ovoj maladaptivnosti, i zanemariti ono to

podrazumevamo pod ontogenetskim ograni!enjima. Drugim re!ima, iako prirodna

selekcija svakako ima ulogu u eliminaciji #ili -iksaciji(novi) struktura, iz svega to

danas znamo o molekularnoj biologiji procesa razvia, jasno je da preda!ki sistemi

zasigurno nameu granice postanka i evolucije mogui) -enotipski) -ormi. Moe se

rei da "unutranja" organizacija i "spoljanji" e-ekti !esto, u ovom smislu, imaju

udrueno, sinergisti!ko dejstvo. 0vo, naravno, ne zna!i da nastanak novi) telesni)

sklopova i kvalitativno druga!iji) struktura nije #bio( mogu. 3a kraju krajeva,

raznovrsnost kakvu danasvidimo morala se -ormirati tokom evolucije ivog sveta #o

tome emo govoriti u poglavlju /.H(.

:radicionalna podela ontogenetski) ograni!enja procesa evolucije zasniva se

na tri kategorije B -izi!ka, mor-ogenetska i -ilogenetska ograni!enja.

F!*!ka !%! +#'an!ka o)(an!#n&a podrazumevaju da odnosi me)anike,

)idraulike, di-uzije i -izi!ke potpore izmeu razli!iti) telesni) delova i -unkcija zavise

od -izi!ki) zakona. 3a primer, opta graa insekata onemoguava evolucionu

trans-ormaciju, recimo, komarca u organizam veli!ine aviona. Gapravo, ako bi se

takva trans-ormacija i desila, ona bi bila toliko -izi!ki sveobu)vatna da se taj

organizam vie ne bi mogao smatrati insektom.

Mo(6o)#n#tska o)(an!#n&a zasnivaju se na "pravilima" mor-ogenetske

konstrukcije, tj. na!inima na koje se regulie di-erencijacija elija i tkiva, odnosno

razvie pojedini) delova tela. Ga)valjujui ovim pravilima, neki putevi modi-ikacije

1 7l-red =asel


67/89

-enotipova postaju znatno manje verovatni od drugi). 3a primer, iako su se udovi

ki!menjaka menjali na razli!ite na!ine tokom / miliona godina evolucije, neki

pravci promena nikada nisu uo!eni B recimo, srednji prst nikada nije krai od ostali)

prstiju.

?enotip vieelijskog organizma predstavljen je viedimenzionalnim

sklopovima razli!iti) elija, koje se, opet, mogu sagledati kao samo*organizujui

otvoreni sistemi !ije -unkcionisanje odreuje, pored nji)ovog genotipa, i sredina koju

!ine susedne elije, ali i sve iznad toga, tj. -iziologija !itavog organizma. toga, i

samo "upravljanje" di-erencijacijom elija tokom mor-ogeneze predstavlja

kompleksan sistem raznovrsni) interakcija. o!evi od regionalne determinacie

elija na samom po!etku razvia #pre di-erencijacije(, kada po!iciona vrednost u

embrionu zapo!inje e-ekat aktiviranja pojedini) gena, dalje "ponaanje" elija postaje

u odreenoj meri usmereno, tj. ograni!ava im se skup mogui) puteva za dalje

razvie. =aspored i koli!ina molekula koje kerke elije dobijaju u mitozi #npr. u

asimetri!noj deobi( predstavljaju bitne determinante koje e odrediti obrazac

ekspresije gena i dalju sudbinu elijske linije u embrionu. 3akon po!etne

speci-ikacije, elijska proli-eracija dovodi do poveanja veli!ine embriona, a -inije

oblikovanje inicijalnog obrasca objanjava se, izmeu ostalog, serijom lokalni)

indukcija. 0dma) po obrazovanju dva tipa elija, jedna od nji) moe proizvesti neki

signalni -aktor koji e usloviti da podgrupa susedni) elija razvije neku posebnu

karakteristiku. ignalni molekul tog treeg tipa elija delovae na sledei podskup,

stvarajui !etvrti, peti, i sledee nivoe tipova elija. 0vaj na!in stvaranja progresivno

sloenijeg obrasca naziva se sekvencial

Documents

TRECI DEO mol i fenot evolucija.doc