Изучение эволюции эндокринной системы по­могает понять происхождение сигнальных молекул, способы передачи специфической информации, по­явление белков, опосредующих гормональные сиг­налы, формирование различных путей передачи сигналов, развитие эндокринных органов и регуля­торных сетей. Этапы эволюции эндокринной систе­мы схематически изображены на рис

Происхождение регуляторных молекул и метаболического кода

Взаимодействие гормонов с клеточными рецеп­торами индуцирует внутриклеточные реакции, включающие образование циклического адено- зинмонофосфата (цАМФ), фосфорилирование, изменение экспрессии генов или транспорта ионов. У высших организмов эти реакции управляются эндокринными, паракринными, юкстакринными или аутокринными сигналами, тогда как у бакте­рий — влияниями внешней среды. В любом случае клетка воспринимает внеклеточные сигналы и для ответной реакции на них использует внутрикле­точную регуляторную сеть. По всей вероятности, эндокринная система сформировалась на базе та­ких бактериальных сигнальных систем.

Более 30 лет назад в статье, озаглавленной «Ме­таболический код», Дж. М. Томкинс подчеркивал, что у бактерий регуляторную роль играют обычно модифицированные аналоги жизненно важных (необходимых) молекул. По его мнению, в ходе эволюции сами необходимые молекулы не могли бы приобрести сигнальные свойства. Действитель­но, аденозинтрифосфат (АТФ), необходимый ис­точник энергии в живых системах, не может выпол­нять функцию сигнальной молекулы, просто в силу того, что резкие колебания концентрации этого соединения угрожают жизнедеятельности клетки. Однако такую функцию могли бы приобре­сти побочные продукты метаболизма АТФ, напри­мер, цАМФ, который вначале мог бы быть беспо­лезным побочным продуктом превращения АТФ в аденозиндифосфат (АДФ). Таким образом, обра­зование цАМФ могло бы служить сигналом проте­кания в клетке бесполезной реакции.

Регуляторные сигналы опосредуются белками, которые должны распознать сигнальную молекулу и инициировать биологическую реакцию на нее. Белки состоят из некоторого числа отдельных структур, или доменов, рекомбинация которых мо­жет приводить к их объединению и появлению но­вых функциональных единиц. У бактерий цАМФ связывается с фактором транскрипции, что приво­дит к изменению активности последнего. Это могло бы служить прототипом появления цАМФ-связывающих белков, взаимодействующих с ДНК. Если такие новые гибридные белки могли бы регулиро­вать экспрессию генов (пусть даже и неспецифиче­ски), то возникла бы новая регуляторная система, а если изменения экспрессии генов в условиях, спо­собствующих образованию цАМФ, оказались бы полезными для выживания клетки, то эта новая сис­тема должна была бы закрепиться в эволюции.

Как только молекулы, подобные ц АМФ, приоб­рели сигнальные функции, регуляция их образова­ния должна была бы стать независимой от продук­ции и гидролиза АТФ, обеспечивая организм возможностью гибкого использования этой но­вой системы для регуляции обмена веществ. Дж. М. Томкинс назвал цАМФ «символом», обра­зующимся у бактерий в ответ на «сигнал», каким является отсутствие глюкозы в среде. Этот «сим­вол», в свою очередь, индуцирует синтез фермен­тов, метаболизирующих альтернативные субстра­ты (например, лактозу), что позволяет клетке вы­жить в лишенной глюкозы среде.

Эволюция гормонов и рецепторов

Подобно цАМФ, многие гормоны являются по­бочными продуктами реакций обмена веществ и, как таковые, могли стать символами метаболиче­ских состояний клетки. Так, пептидные гормоны образуются из более крупных белков, стероиды — из холестерина, а катехоламины и тиреоидные гор­моны — из аминокислот. Другие лиганды ядерных рецепторов являются побочными продуктами ме­таболизма желчных и жирных кислот, хотя, будучи необходимыми молекулами, они могут составлять исключение из общего правила. Регуляторная роль этих побочных продуктов указывает на то, что ядерные рецепторы исходно могли служить сенсо­рами питательных веществ.

Примитивная система эндокринных сигналов впервые появилась, вероятно, у ранних многокле­точных организмов. Одна из клеток, «ощутившая» изменения во внешней среде, должна была выделять сигнальные молекулы, вызывающие реакции сосед­них клеток. Иными словами, первые сигналы долж­ны были передаваться паракринным путем. Со вре­менем могли сформироваться специализированные клетки, как продуцирующие сигналы, так и реаги­рующие на них, что способствовало выживанию и тех, и других. Модификация первичных гормонов могла придать им дополнительные свойства, такие, как возможность регулировать собственную про­дукцию, формирование механизмов секреции, боль­шую специфичность взаимодействия с рецептора­ми, биологическую доступность (включая связыва­ние с транспортными белками), а также пути распада и выведения из организма.

Гормональные рецепторы появились, вероятно, в результате рекомбинации необходимых функцио­нальных белков. Как поверхностные, так и ядерные рецепторы состоят из отдельных функциональных доменов, появление которых могло бы быть связано с рекомбинацией генов, обеспечившей приобрете­ние белками новых полезных свойств.