Читать онлайн «Геном». Страница 51

 Эрнст Геккель (1834-1919), немецкий зоолог, основопо­ложник биологии индивидуального развития и экологии. Известен также своими расистскими взглядами, вдох­новлявшими Гитлера во время написания Mein Kampf. Онтогенез — развитие отдельной особи; филогенез — про­исхождение и эволюция вида.

//ox-гены лишь дают отмашку развитию эмбриона, уста­новив для него оси развития от головы к хвосту и от спины к животу. За счет последовательного, растянутого во време­ни включения генов гомеозисного кластера каждый из них работает в своем сегменте тела. Теперь уже по сегментам каждый Нох-ген запускает каскад регулируемых им генов развития, многие из которых сами являются регулятора­ми других генов. Благодаря этому сегменты тела развива­ются по своему индивидуальному плану и отличаются друг от друга. Так, одни сегменты превращаются в конечности, другие — в крылья. Полиморфизм органов и частей тела достигается не только за счет многообразия регуляторных генов, но и за счет того, что один и тот же сигнал по-раз­ному интерпретируется в разных частях тела. Возьмем, на­пример, уже знакомый нам декапентаплегальный (decapent- aplegic) ген дрозофилы. Синтезируемый под его контролем регуляторный белок управляет как развитием лапок мухи, так и развитием крыльев. Этот ген, в свою очередь, запу­скается белком другого гена, называемого hedgehog (ежик). Работа этого белка состоит в том, что он взаимодействует с другим белком, блокирующим промоторную часть декапен- таплегального гена, и заставляет его освободить промотор и разблокировать ген. Ген hedgehog относится к так называ­емым сегментно-полярным генам, т.е. он работает во всех сег­ментах тела, но только в их дистальных (краевых) частях. Если в эмбрионе мушки дрозофилы в сегменте, в котором образуются крылья, перенести частицу из края сегмента в среднюю часть, то у мухи вырастут «зеркальные» крылья с двумя сросшимися фронтальными половинками посреди­не и двумя задними опахалами по краям.

Вас уже не удивит, что у гена hedgehog есть аналоги в ге­номах как человека, так и птиц. У нас и у куриц есть три похожих гена: sonic hedgehog (Зоник Хеджхог), Indian hedgeh­og (индийский еж) и desert hedgehog (пустынный еж), выпол­няющих одну и ту же работу. (Из-за названий генов может возникнуть впечатление, что генетики страдают больным воображением. В генетических каталогах вы найдете гены с именами tiggywinkle (прыгающий моллюск) и целые семей­ства генов с общим именем warthog (бородавочник, или в данном случае, скорее, «бородавчатая свинья») и groundhog (имя гена можно перевести как «земляная свинья», но так по-английски называются многие животные — от сурка до трубкозуба). Что касается генов-ежиков, то такое название они получили по внешнему виду мушки дрозофилы с де­фектным геном hedgehog.) Точнотакже, какудрозофилы, на­значение гена sonic hedgehog и его партнеров состоит в том, чтобы установить в конечностях оси фронтально-дорзаль- ной асимметрии. У эмбриона сначала формируются сим­метричные отростки конечностей и только под влиянием генов семейства hedgehog происходит дифференциация ко­нечности на переднюю и заднюю части. На куриных эмбри­онах проводили следующий эксперимент. В строго опреде­ленное время микроскопический комок эмбриональных клеток смачивали в суспензии белка хеджхог и аккуратно под микроскопом вставляли в среднюю часть почки буду­щего крыла у 24-часового куриного эмбриона. В результа­те точно так же, как у дрозофилы, вырастали сдвоенные крылья. Каждое из них представляло собой пару крыльев, сросшихся фронтальной частью с оперением, торчащим вперед и назад от средней линии крыла.

Имя hedgehog (ежик) носит целое семейство генов инди­видуального развития. Первый ген этого семейства был обнаружен в 1978 году нобелевскими лауреатами Эриком Вишаусом (Eric Wieschaus) и Кристианой Нюссляйн- Фолхард (Christiane N sslein-Volhard). Такое название было предложено, поскольку мутантная мушка дрозо­фила была покрыта мелкими щетинками, делающими ее похожей на ежа. Все остальные гены hedgehog названы по видовым названиям ежей, за исключением гена sonic hedgehog, названного так в честь героя компьютерных игр кота Sonic the Hedgehog.

Таким образом, у птиц и мух ген hedgehog определяет пе­реднюю и заднюю части крыла. У млекопитающих этот ген отвечает за правильное развитие пальцев на конечностях. В каждом эмбрионе человека происходит трансформация беспалой почки в пятипалую конечность. Но точно такая же трансформация произошла примерно 400 млн лет назад с плавниками рыб, вышедших на берег. Этот факт одновре­менно получил подтверждение как в результате палеонто­логических открытий, так и наблюдений за развитием эм­брионов под контролем Нохггенов.

Изучение эволюции конечностей началось в 1988 году с обнаружения в Гренландии окаменелостей акантостега (Acanthostega). Полурыба-полумлекопитающее, вымершее 360 млн лет назад, поразило ученых строением восьмипа- лой конечности, напоминающей конечность сухопутных животных. Это был один из вариантов конечностей, кото­рые природа апробировала на древних рыбах, позволив им шагать по мелководью. Постепенно, после анализа много­численных окаменелостей, стал проясняться путь эволю­ции от плавника рыбы к пятипалой конечности, которой обладаем мы с вами. Сначала появились изогнутые дугой и торчащие вперед из грудной клетки кости предплечий. Затем из костей запястья образовались направленные на­зад косточки пальцев. Последовательность эволюцион­ного развития конечностей была открыта после того, как ученые выстроили в ряд найденные окаменелости рыб и первых сухопутных животных. И тут палеонтологи полу­чили экспериментальное подтверждение своей теории от эмбриологов. Оказывается, именно в такой последователь­ности в конечностях работают гомеозисные гены. Сначала Нох-гены создают градиент экспрессии от вершины к осно­ванию растущей почки конечности, в результате чего в ней появляются и развиваются кости плеча и запястья. Затем в запястье возникает новый градиент экспрессии хеджхог-ге- нов, перпендикулярный первому градиенту, который дает толчок развитию костей пальцев (Zimmer С. 1998. At the wa­ter's edge. Free Press, New York).

И Изменения именно в гене sonic hedgehog привели к тому, что предки китов и дельфинов лишились задних конеч­ностей (Thewissen J. G. et al. 2006. Developmental basis for hind-limb loss in dolphins and origin of the cetacean bodyplan.            PNAS, e-pub ahead of print).

Hoxгенами иhedgehog-rewAMii не ограничивается пере­чень генов развития эмбриона. Множество других генов, определяющих, что и где должно расти, образуют удиви­тельную по надежности самоорганизующуюся систему: объединяющие и разъединяющие гены (pax-genes и gap-ge­nes) и еще множество генов с удивительными англо-немец­ко-японскими именами, такие как radical fringe (остаточная бахрома), even-skipped (парно-пропущенный), fushi tarazu, hu­nchback (горбун), Kriippel (калека), giant (гигант), engrailed (за­зубренный), knirps (карапуз), windbeutel (флюгер), cactus (как­тус), huckebein (хромой), serpent (змея), gurken (огурчик), oskar (оскар) и tailless (бесхвостый). Читая современные статьи по эмбриологии, иногда думаешь, будто взялся за чтение очередной новеллы Толкиена о приключениях хоббитов. Приходится освоить массу новой терминологии, чтобы по­нять, что к чему. Тем не менее генетика индивидуального развития полностью соответствует основным генетическим законам. Чтобы постичь чудо развития организма из одной клетки, не потребовалась ни современная ядерная физика, ни мудреная теория хаоса, ни квантовая динамика, ни но­вые генетические концепции. Так же, как и с генетическим кодом, проблема эмбрионального развития, которая пред­ставлялась непостижимой загадкой, оказалась вполне объ­яснимой последовательностью генетических событий. Все начинается с градиента химических веществ, оказывающих влияние на яйцеклетку. Под влиянием химических сигна­лов активизируются первые регуляторные гены, которые определяют, где у эмбриона перед и где зад. Затем последо­вательно от головы к хвосту включаются другие регулятор­ные гены, придающие каждому сегменту тела свою функ­циональность и специфичность. Следующая волна генов устанавливает фронтально-дорзальную полярность сегмен­тов, и уже локальные регуляторные гены трансформируют клетки в отдельные органы и ткани. Процесс эмбриональ­ного развития оказался довольно простым линейным хи­мико-механическим процессом больше в духе Аристотеля, чем Сократа. (Автор противопоставляет материалистиче­ский натурализм Аристотеля идеализму Сократа. — Примеч. ред.) Из простого химического градиента возникает слож­ный полиморфизм органов и тканей. Насколько простыми были принципы индивидуального развития, и насколько сложным и многообразным оказался конечный результат. Несмотря на простоту базовых принципов, природа все еще бросает вызов инженерам. До сих пор человеку так и не удалось сконструировать машину, которая собирала бы сама себя из запчастей.