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.