Мэтт Ридли - Геном

Исключения оказались даже более убедительными, чем само правило. Например, у мухи есть два гена, которые управ­ляют дифференциацией спинной (дорзальной) и брюшной (вентральной) частей тела. Один ген называют декапента- пмгальным— т.е. экспрессия этого гена указывает клеткам, что они находятся в дорзальной части тела и им следует раз­виваться соответствующим образом. Другой ген называют коротким гаструлярным, и он оказывает на клетки противо­положное влияние. У лягушек, мышей и, с высокой долей вероятности, у нас с вами, есть точно такие же гены. «Текст» одного гена — ВМР 4 — напоминает «текст» декапентаплегаль- ного гена дрозофилы, а другой ген — chordin— соответствует короткому гаструлярному гену. Но что удивительно, у мыши­ных генов направленность действия противоположная по сравнению с мушиными аналогами. Ген ВМР 4 управляет раз­витием вентральной части тела, а ген chordin — дорзальной. Это говорит о том, что артроподы и хордовые перевернуты с живота на спину по отношению друг к другу. Когда-то у них был общий предок, у которого уже был вентрально-дорзаль- ный диморфизм тела. Одни из его потомков стали ползать на животе, а другие — на спине. Сейчас трудно ответить на вопрос, у кого «правильная» сторона тела. Видимо для на­шего далекого предка было безразлично, на какой стороне ползать. Это потом у его потомков появились конечности с той стороны, где они были нужны. Задержимся немного на этом месте, и отдадим должное великому французскому ис­следователю Этьену Жоффруа Сент-Илеру (Etienne Geoffroy St Hilaire), который еще в 1822 году предположил данный феномен, исходя из своих наблюдений за развитием эм­брионов, а также по тому факту, что центральный нервный ствол у насекомых находится с брюшной стороны, а у хор­довых— со спинной. В течение 175 лет эта гипотеза отвер­галась. Ученые полагали, что нервные системы хордовых и насекомых просто возникли и развивались параллельно и независимо друг от друга. Но теперь стало ясно, что Сент- Илер был прав (Arendt D., Nubler-Jung К. 1994. Inversion of the dorso-ventral axis? Nature 371: 26).

Сходство между генами развития оказалось настолько поразительным, что ученые смогли поставить экспери­менты, которые раньше никто не мог даже вообразить. Оказалось возможным разрушить с помощью целенаправ­ленного мутагенеза один из гомеозисных генов дрозофилы и вставить в яйцеклетку соответствующий ген человека. Из яйцеклетки развилась нормальная муха. Данный экспери­ментальный метод называется генетическим комплементи- рованием. Нох-тен из генома человека оказался комплемен­тарным гену мухи. Точно так же комплементарными оказа­лись мышиные гены Otx и Em: с. Чужие регуляторные гены работали настолько хорошо, что по внешнему виду невоз­можно было отличить, в каких мушках работали собствен­ные гены и в каких — чужие (Sharman А. С., Brand М. 1998. Evolution and homology of the nervous system: cross-phylum rescues of old/Otx genes. Trends in Genetics 14: 211-214).

Это был триумф гипотезы о цифровой природе генети­ческого кода. Гены— это программные модули, которые можно запустить в любой системе, поскольку в них исполь­зован один и тот же программный код и они выполняют одну и ту же работу. Даже через 530 млн лет независимого развития наши «компьютеры» могут распознать и запу­стить «мушиные программы» и наоборот. Аналогия живо­го организма с компьютером оказалась довольно удачной. Время кембрийского эволюционного взрыва 540-520 млн лет тому назад было временем экспериментирования с ди­зайном многоклеточных организмов, точно так же, как 80-е годы прошлого столетия были временем экспериментиро­вания с архитектурой компьютеров. В раннем кембрии, ве­роятно, возникли первые гомеозисные гены. Счастливые обладатели этих генов стали общими предками для хордо­вых, насекомых и многих других организмов, населяющих сейчас нашу планету. Нашими родоначальниками были округленные плоские черви ( roundish flat worm — гипотети­ческое промежуточное звено между плоскими и более со­вершенными кольчатыми червями), копошившиеся в дои­сторической грязи кембрия. На тот момент, вероятно, они были лишь одной из многочисленных форм жизни, но их потомки унаследовали всю землю. Трудно сказать, были го- меозисные гены лучшим техническим решением или про­сто хорошо был поставлен маркетинг, и кто в кембрии вы­ступал за Apple, а кто за Microsoft?

Давайте ближе познакомимся с одним из Нож-генов на хро­мосоме 12.ген С 4 человека является аналогом гомеозисного гена dfdy дрозофилы, и у мухи он контролирует развитие ро­товой части головы. «Текст» этого гена у человека подобен соответствующим генам в остальных трех Нолмсластерах: А 4, В 4 и D 4, — а у мыши этим генам соответствуют свои гены в че­тырех кластерах: а 4, Ь 4, с 4 и d 4. У эмбрионов мыши эти гены работают в клетках, из которых затем развивается шейный отдел: шейные позвонки и нервная трубка спинного мозга внутри их. Если с помощью направленной мутации разру­шить один из этих генов, то один или несколько шейных позвонков окажутся измененными. Изменения в позвонках довольно специфичны. Все шейные позвонки в норме от­личаются друг от друга. Измененный позвонок будет выгля­деть так же, как предшествующий позвонок. Другими слова­ми, гены Нох 4 нужны для того, чтобы сделать последующий позвонок отличным от предыдущего. Если разрушить два гена Нох 4, то половина позвонков окажутся измененными, если три — изменения затронут еще большее число позвон­ков. Получается, что четыре гена оказывают на развитие шейного отдела позвоночника кумулятивный эффект. В на­правлении от головы к копчику гены поочередно включа­ются в работу и дорабатывают базовый дизайн позвонка до той формы, которая требуется в данной части организма. Благодаря наличию четырех пар генов организм человека и мыши более надежно контролирует процесс развития, чем единственный //ож-кластер у дрозофилы.

Также стало понятно, почему у позвоночных число ге­нов в Нох мсластере доходит до 13, а у дрозофилы их все­го восемь. У позвоночных есть еще хвост — продолжение позвоночника над анальным отверстием— с множеством своих позвонков. У насекомых такого сложно организо­ванного хвоста нет. Дополнительные гены в кластере Нох у человека и мыши, которых нет у дрозофилы, нужны для программирования позвонков хвоста или копчика. В ходе эволюции, когда наши обезьяньи предки лишились хвоста, произошло ингибирование соответствующих генов, кото­рые работают у мыши.

Мы подошли к наиболее интригующему вопросу: почему у всех организмов гены в кластере Нох упорядочены стро­го определенным образом — первый ген для головы, а по­следний для хвоста? Окончательного ответа на этот вопрос пока нет, но есть правдоподобные гипотезы. Первый ген в кластере не только включается в переднем отделе тела, но и первым из генов кластера включается в работу. Таким об­разом, к множеству генов, включаемых первым Нох-теном, следует также отнести второй Нох- ген, и так по цепочке. Действительно, развитие эмбрионов всех организмов на­чинается с головы. Следовательно, гены в кластере Нох рас­положены в той последовательности, в которой они вклю­чаются в работу. Гены как бы передают эстафетную палочку друг другу. Если мы рассмотрим усложнение организма жи­вотных в ходе эволюции, то увидим, что эволюция шла в том же направлении: постепенно усложнялись конечности и за­дняя часть туловища, тогда как голова оставалась головой. Так что в последовательности Нох-генов отображается так­же эволюция видов, что соответствует известному утвержде­нию Эрнста Геккеля (Ernst Haeckel): «онтогенез повторяет филогенез», т.е. эмбрион развивается в той последователь­ности, в какой происходило развитие и усложнение предко- вых форм этого вида (Duboule D. 1995. Vertebrate hox genes and proliferation — an alternative pathway to homeosis. Current Opinion in Genetics and Developments. 525-528; KrumlaufR. 1995. Hox genes in vertebrate development. Cell 78: 191-201).