Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных

Поразительное разнообразие форм встречается не только у животных, обитающих на суше и в море. Под землей, на разной глубине — от нескольких сантиметров в слое песка до сотен метров в каменистых породах — хранится летопись 600 млн лет истории животного мира. Это загадочные первые животные в сланцах Канадских Скалистых гор, это огромные туши динозавров в долинах американского Запада, это зубы и фрагменты черепов наших двуногих предков в Восточно-Африканской рифтовой долине. И кое-что из того, что скрыто под землей, порой оказывается чрезвычайно странным по сравнению с тем, что живет и дышит на земле.

Рис. 1.1. Окаменелости со дна реки Флорида. Кость млекопитающего, фрагменты панциря черепахи и зубы акул. Обратите внимание на разнообразие форм и размеров. Самый большой зуб принадлежат гигантской акуле Charcharadon megalodon. Собрано и сфотографировано Патриком Кэрроллом

Сам я сделал это удивительное открытие лишь недавно, и не где-нибудь, а во Флориде — излюбленном уголке отпускников и пенсионеров, ищущих солнца, развлечений и расслабленного отдыха. Здесь можно увидеть пальмы, прекрасные песчаные пляжи, грациозных пеликанов и скоп, обаятельных ламантинов и дельфинов, а также Homo sapiens в клетчатых шортах... А еще полутораметровых броненосцев, клыкастыхмастодонтов, пятнадцатиметровых акул, верблюдов, носорогов, ягуаров и саблезубых кошек.

Не верится? Это чистая правда. Надо просто знать, где искать.

Отправляйтесь к реке, проложившей себе путь меж песчаных берегов, копните ее дно лопатой — и, возможно, вы обнаружите зубы одного из десяти видов акул: от зазубренного и изогнутого зуба серой акулы до чудовищного пятнадцатисантиметрового клыка давно исчезнувшего монстра Charcharadon megalodon (рис. 1.1). В той же гальке можно отыскать следы недавнего геологического прошлого Флориды — кости тапиров, ленивцев, верблюдов, лошадей, глиптодонтов, мастодонтов, морских коров и других исчезнувших животных.

Такое разнообразие форм ныне живущих и вымерших животных в одном месте заставляет задуматься о двух важных вещах: как возникает неповторимая, индивидуальная форма животного? И откуда взялось столько разнообразных форм?

На первый взгляд может показаться, что вариантов строения животных слишком много. Однако есть несколько давно устоявшихся эволюционных тенденций, определяющих их дизайн, о которых мы и поговорим. В этой главе мы займемся поиском некоторых общих закономерностей строения и эволюции животных, чтобы свести это сбивающее с толку разнообразие к нескольким основным типам.

Строим животных из кубиков

Основная закономерность строения животных становится очевидной уже в тот момент, когда пытаешься понять, что это за кость или зуб ты подхватил лопатой со дна реки во Флориде. Сложность в том, чтобы одновременно определить, какому животному принадлежал этот фрагмент и к какой части тела он относится. Почему это так трудно? На этом примере мы наблюдаем одну из закономерностей строения животных. Близкородственные животные, например, позвоночные, собраны из очень похожих деталей.

Рис. 1.2. Модульное строение позвоночных. Вверху: отпечаток десятисантиметровой саламандры юрского периода. Внизу: скелет пятиметрового зауропода Camarasaurus, также юрского периода. Фото саламандры предоставлено Нилом Шубином из Университета Чикаго, фото зауропода — Музеем естественной истории Карнеги.

Допустим, с небольшой помощью экспертов, нам удалось установить, что фрагмент кости принадлежал вымершей морской корове. Допустим, это ребро. Но какое? А если это фаланга пальца вымершей лошади, то какого именно пальца? Разглядывая отдельные кости, ответить на этот вопрос чрезвычайно сложно. Тут мы сталкиваемся со второй закономерностью строения животных: животные собраны из определенного набора сходных элементов, как будто из кубиков.

Некоторые из этих деталей могут быть небольшими, как фаланги пальцев, другие — огромными, как позвонки некоторых позвоночных. Эти основные элементы очень древние, и их пропорции сохранились у животных самого разного размера. Гигантский динозавр из группы зауропод и маленькая саламандра, жившие во время юрского периода (свыше 150 млн лет назад), демонстрируют одинаковую архитектуру, основанную

На ПОВТОРЯЮЩИХСЯ МОДУЛЯХ (рис 1.2).

Модульный дизайн характерен не только для позвоночных. В знаменитой сланцевой формации Берджес в Канаде обнаружены первые крупные и сложные животные, жившие в морях кембрийского периода свыше 500 млн лет назад. Они демонстрируют все те варианты модульного плана строения, которые характерны и для их современных потомков (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Модульная организация животных кембрийского периода. Ayshaeia pedunculata из группы Lobopodia (вверху) и трилобит Olenoides serratus (внизу) состоят из повторяющихся модулей. Фотографии предоставлены Чипом Кларком, Смитсоновский Институт.

Окаменелости привлекают нас по нескольким причинам. Безусловно, мы испытываем восторг и благоговение, когда прикасаемся к вымершим животным, обитавшим в давным-давно исчезнувших мирах. Но, кроме того, нас завораживает их форма. Эти окаменелости демонстрируют сохранившуюся в ходе эволюции тенденцию модульной сборки тел из повторяющихся элементов.

В отдельных частях тела животных также наблюдается модульное строение. Например, наши конечности содержат повторяющиеся элементы: каждая состоит из нескольких частей (бедро, голень, лодыжка; плечо, предплечье, кисть), а кисти и ступни имеют по пять похожих пальцев (рис. 1.4). Модульная структура конечностей четвероногих животных имеет очень древнее происхождение, что со всей очевидностью демонстрируют ископаемые остатки, относящиеся к юрскому периоду.

Рис. 1.4. Модульное строение человеческой руки. Рентгеновский снимок демонстрирует, что все пальцы состоят из сериального набора повторяющихся костных элементов. Фотография предоставлена Джейми Кэрролл.

Иногда модульное строение той или иной структуры неочевидно. Сложный рисунок на крыльях бабочки может показаться беспорядочным, однако при ближайшем рассмотрении выясняется, что узор всегда составлен из повторяющихся мотивов. Нижняя сторона крыла голубой бабочки Morpho имеет повторяющийся рисунок, состоящий из полосок, шевронов (рисунок в виде буквы V) и пятен, и все элементы рисунка разделены жилками крыла (рис. 1.5). Таким образом, каждый элемент крыла, ограниченный крыловыми жилками, можно рассматривать как структурную единицу. А общий узор крыла создается в результате повторения этих модульных единиц, в какой-то степени различающихся размером либо формой линий, шевронов или пятен.

Рис. 1.5. Сериальный повтор элементов на нижней стороне крыла голубой Morpho. Каждое крыло состоит из нескольких субъединиц (модулей), ограниченных двумя жилками и краем крыла. Каждая субъединица содержит вариации на тему одних и тех же элементов рисунка — пятен-глазков, полосок и шевронов. Бабочка — подарок Нипама Патела, фотография Джейми Кэрролл.

Дизайн, основанный на повторяемости элементов, характерен даже для очень мелких и невидимых невооруженным глазом структур. Изумительно красивые крылья бабочек на самом деле состоят из мельчайших чешуек. Каждая чешуйка — вырост, образованный отдельными клетками, выстроенными в множество рядов. Каждая чешуйка имеет свой цвет, и все они, подобно мазкам на картине художника-пуантилиста, складываются в общий рисунок, когда мы охватываем глазом всю картину целиком. Рисунок на теле рыб, змей и ящериц тоже образован чешуйками (не такими, как у бабочек), выстроенными в упорядоченный геометрический узор. Способность чешуек отражать или преломлять свет зависит от еще более тонких деталей клеточной микроанатомии, определяющей длину волны поглощенного или отраженного света (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Повторение на микроскопическом уровне. Чешуйки на крыле бабочки подобны мазкам на картине художника-пуантилиста: каждому мазку соответствует одна чешуйка специфического цвета. Вместе эти чешуйки (или мазки) формируют геометрический рисунок. Фотография Стива Пэддока.

Этих примеров достаточно, чтобы оценить невероятно сложную задачу развития — создание полноценного организма из одной-единственной крошечной клетки. Здесь задействовано множество деталей, и все эти детали важны. Небольшое изменение на ранней стадии развития приводит к целому каскаду последствий. Что же это за процесс, который позволяет собрать массивного динозавра и аккуратно раскрасить пятна на крыльях бабочки?

Учитывая такое невероятное разнообразие размеров и форм животных, детали развития каждого вида кажутся "почти бесконечным набором особенностей, каждую из которых следует рассматривать в отдельности", как всего четверть века назад заметил молекулярный биолог Понтер Стент. Однако биологи были удивлены и обрадованы, когда обнаружили, что в строении животных существуют закономерности, которые, к счастью, проявляются не только во внешности, но и гораздо глубже — на уровне генетических механизмов развития. Итак, в этой главе я начну рассказывать о внешнем сходстве, а в последующих двух главах мы поговорим о сходстве на более глубоком уровне — на уровне генов.

Эволюция как изменение числа и типа элементов

Модульное строение животных определяет их форму. Анатомы уже давно заметили, что, вне зависимости от внешних различий, тела и части тел животных так или иначе строятся вокруг нескольких явственных тем. Больше столетия назад некоторые из этих тем были очерчены английским биологом Уильямом Бэтсоном. Его идея оказалась очень полезной для понимания логики строения животных и того, как в эволюции появляются варианты одной общей темы.

Бэтсон обнаружил, что тела многих крупных животных состоят из повторяющихся частей, и многие из этих частей, в свою очередь, также состоят из повторяющихся единиц. Если рассматривать определенную группу животных, выясняется, что наиболее очевидные различия между членами группы заключаются в количестве и типе повторяющихся структур. Например, хотя все позвоночные имеют модульное строение позвоночника, состоящего из отдельных позвонков, количество и тип позвонков разного типа у всех позвоночных различаются. Общее число позвонков от головы до хвоста варьирует в широких пределах: от десятка у лягушки до тридцати трех у человека и нескольких сотен у змеи (рис. 1.7). Кроме того, позвонки можно подразделить на шейные, грудные, поясничные, крестцовые и хвостовые. Основное различие между этими типами позвонков у разных животных заключается в их размере и форме, а также в наличии (или отсутствии) соединенных с ними структур, таких как ребра. Причем разные позвоночные животные в значительной степени различаются по числу позвонков каждого типа.

Рис. 1.7. Скелет змеи. Форму тела змеи определяет наличие сотен позвонков и ребер. Рисунок предоставлен Куртом Слэдки, Университет Висконсина.

Тот же самый архитектурный принцип применим к строению и разнообразию форм членистоногих. Тела членистоногих животных состоят из повторяющихся сегментов, число которых в туловище (т.е. за головой) может составлять от одиннадцати у насекомых до нескольких десятков у сороконожек и многоножек. Группы сегментов различаются между собой (например, грудные и брюшные) по размеру и форме, но особенно по тому, какие конечности от них отходят (так, от грудных сегментов насекомых отходит по паре ног, а от брюшных нет).

Позвоночные и членистоногие успешно освоили все среды обитания (воду, сушу и воздух) и отличаются от других животных особой сложностью анатомии и поведения. Тела животных обеих групп построены из похожих повторяющихся элементов. Есть ли связь между модульной структурой тела и успешностью эволюционной диверсификации? Я считаю, что есть. Задачей биологов было понять, как такие животные могут быть построены, начиная от единственной клетки, а также как в процессе эволюции появились всевозможные варианты одного и того же плана строения. Модульное строение тел позвоночных и членистоногих, а также вариабельность числа и типа составляющих модулей — важные ключи к пониманию этих процессов.

Части тела, которые являются модульными и сконструированы из сходных структурных единиц, значительно различаются у разных видов по числу и типу. Конечности четвероногих позвоночных (тетрапод) обычно имеют от одного до пяти пальцев. На руках и ногах человека имеется по пять видов пальцев (большой, средний и т.д.). Сходство между пальцами очевидно, а различие касается главным образом их размера и формы. Конечности четвероногих животных адаптированы к различным функциям и имеют весьма разнообразное строение, а лежащая в их основе пятипалая структура сохранялась на протяжении 350 млн лет, хотя у некоторых видов в ходе эволюции количество пальцев все же изменилось и находится в диапазоне от одного до пяти (у верблюда два пальца, у носорога три и т.д.). Вариации на тему тетраподной организации могут быть весьма значительны (см. рентгеновские снимки на рис. 1.8). Интересно, что близкородственные виды могут различаться в заметной степени; в некоторых группах животных эволюционировали виды, различающиеся по количеству пальцев.

Рис. 1.8. Разнообразие формы конечностей позвоночных животных. Конечности всех позвоночных представляют собой вариации общего плана строения с изменением числа, размера и формы отдельных элементов (таких как пальцы). Фотографии предоставили Курт Слэдки из Университета Висконсина и Крейг Хармс из Университета Северной Каролины.

Гомология, сериальная гомология и закон Уиллистона

При сравнении частей тел животных разных видов важно понимать, сравниваем ли мы одну и ту же часть тела, которая могла измениться различным образом, или части тела, представляющие собой серию, сходство между которыми может быть весьма отдаленным. Например, передние конечности саламандры, зауропода, мыши и человека являются гомологами. Это означает, что все они представляют собой одну и ту же структуру, модифицированную определенным образом у каждого вида. Все они произошли от передней конечности общего предка. Задние конечности четвероногих позвоночных и наши ноги — тоже гомологи. По отношению друг к другу передние и задние конечности являются сериальными гомологами: они возникли как повторяющиеся структуры и у разных животных дифференцировали в разной степени. Примерами сериальных гомологов являются позвонки и связанные с ними структуры (ребра); передние и задние конечности четвероногих животных; пальцы; зубы; элементы ротового аппарата, усики и ноги членистоногих; а также передние и задние крылья насекомых.

Изменение числа и вида сериальных гомологов является одной из важнейших тенденций в эволюции животных. Давайте рассмотрим еще пару примеров. Если вы любите морепродукты, вам, должно быть, приходилось разделывать омаров. Расчленяя этих животных, вы, вероятно, обращали внимание на их модульное строение и большое разнообразие конечностей (рис. 1.9). Несколько особенностей строения омаров отражают общие для членистоногих темы модульного строения и сериальной гомологии. Во-первых, тело этого животного состоит из головы (с глазами и ротовым аппаратом), грудного отдела (с ходильными ногами) и длинного хвоста (самое вкусное!). Во-вторых, разные отделы тела имеют специфические придатки (усики, клешни, ходильные ноги, плавательные ноги). В-третьих, каждый придаток, в свою очередь, тоже состоит из сегментов, и в разных придатках число таких сегментов различается (сравните клешни с ходильными ногами). Если бы вы отважились расчленить насекомое или краба, то вы бы заметили определенное сходство строения, организации и сегментации их тел, но при этом и явное различие в количестве и виде сериально гомологичных структур.

Рис. 1.9. Разнообразие сериально повторяющихся элементов у омара. Усики, клешни, ходильные ноги, плавательные ноги и хвостовые структуры — все это модификации базовой структуры конечностей. Рисунок Джейми Кэрролл.

Второй пример сериально гомологичных частей тела — это зубы, которыми мы пережевываем тех самых омаров. Наши челюсти оснащены зубами нескольких типов (клыки, большие и малые коренные зубы, резцы и др.). И вновь, одно из очевидных различий между всеми позвоночными заключается в количестве и типе зубов. Например, у примитивных рептилий, относящихся к крупным морским видам, был полный рот практически одинаковых зубов, но позднее у животных развились разные зубы, предназначенные для откусывания или пережевывания пищи. Различие типов зубов отражает различия в характере питания: у плотоядных животных есть резцы и клыки, тогда как у травоядных — в основном коренные зубы (рис. 1.10). По форме зубов мы тоже отличаемся от наших родственников приматов (рис. l.11). Из зубов получаются отличные, прочные окаменелости, и эти находки сыграли очень важную роль в изучении наших древних предков и их образа жизни.

Рис. l.10. Зубы примитивных позвоночных. Зубы мозазавра (внизу) кажутся практически одинаковыми, тогда как у более поздних позвоночных (вверху вы видите череп лошади) появились разные типы зубов. Фотография реконструированного черепа Platecarpus plaifrons предоставлена Майком Эверхартом, сайт Oceans of Kansas Paleontology (http://oceansofkansas.com/).

Рис. 1.11. Варианты зубов у приматов. Приматы различаются по количеству и форме клыков и больших и малых коренных зубов. Сверху вниз: человек, горилла, павиан, капуцин, мадагаскарский лемур. Из книги Т. Гексли "О положении человека в ряду органических существ", 1863.

Эволюционные тенденции изменения числа и вида повторяющихся структур настолько распространены, что палеонтолог Сэмюель Уиллистон в 1914г. сделал следующий общий вывод: "в эволюции существует закон, в соответствии с которым количество частей тела со временем сокращается, а оставшиеся постепенно приобретают специфическую функцию". Уиллистон занимался изучением древних морских пресмыкающихся. Он обратил внимание на то, что в ходе эволюции более ранние формы, имевшие большее количество сходных сериально повторяющихся элементов, сменялись более поздними, у которых количество этих элементов сокращалось, а их специализация усиливалась. Причем специализированные структуры редко возвращались в неспециализированное состояние, в более общие формы. К примеру, когда у тетрапод впервые появились пальцы, этих пальцев на каждой ноге было по восемь. Но типов пальцев было не более пяти, и в конце концов число пальцев сократилось до пяти, каждый из которых имел свою функцию или в дальнейшем редуцировался. В биологии мало общих законов, а из тех, что существуют, совершенно определенно бывают исключения. И все же закон Уиллисона является полезным наблюдением, распространяющимся не только на древних рептилий, о которых писал ученый. Существует общая тенденция, в соответствии с которой сериальные гомологи со временем приобретают функциональную специализацию и уменьшаются в числе. Специализация морфологии позвонков, зубов и пальцев у позвоночных, а также ног и крыльев у членистоногих практически всегда сопровождались уменьшением числа повторяющихся элементов. Уиллистон и Бэтсон уловили некоторые простые закономерности, касающиеся строения животных и их эволюции, что позволило выявить некие общие правила, которым подчиняется история развития животных и формирование их разнообразия.

Симметрия и полярность

Кроме повторяемости структурных элементов, тела и части тел животных обычно обладают еще двумя особенностями — симметрией и полярностью. Большинству знакомых нам животных присуща билатеральная симметрия. Это означает, что их левая и правая половины симметричны относительно центральной оси симметрии, совпадающей с длинной осью тела. Такое строение также подразумевает, что у животного есть зад и перед, и именно оно способствовало эволюции множества эффективных способов передвижения. Некоторые животные демонстрируют иные типы симметрии. Например, пентарадиальная симметрия характерна для иглокожих, к которым относятся морские ежи, круглые и плоские, и многие другие замечательные животные (рис. 1.12). Ось симметрии животного дает ключ к разгадке его строения.

Рис. 1.12. Другие типы симметрии животных. Иглокожие, такие как круглые морские ежи (слева), плоские морские ежи (в центре) и морские звезды (справа), обладают радиальной симметрией. Рисунок Джейми Кэрролл.

Разобраться в строении животного помогает и полярность тела и его частей. У большинства животных существует три оси полярности: от головы к хвосту, сверху вниз (у нас — от груди к спине, так как мы с вами ходим на двух ногах) и от проксимального (ближнего к туловищу) конца к дистальному (удаленному от туловища) концу. Проксимо-дистальная ось характерна для структур, отходящих от туловища, например для конечностей. Отдельные части тела тоже имеют полярность. Например, кисти рук имеют три оси, ориентированные от большого пальца к мизинцу, от тыльной стороны руки к ладони, а также от запястья к кончикам пальцев.

Как форма тела закодирована в геноме?

Модульность, симметрия и полярность — практически универсальные характеристики строения тела животных, в том числе таких сложных или крупных, как бабочки или зебры. Эти характеристики и эволюционные тенденции, подмеченные Уиллистоном и Бэтсоном, говорят о том, что в архитектуре тел животных существуют порядок и логика. За невероятным разнообразием форм животных кроются некие общие закономерности строения и эволюции.

В этой книге я сосредоточусь на четырех основных вопросах:

Где следует искать все эти правила и инструкции? Конечно, в ДНК. В полном наборе ДНК животного (геноме) содержится информация, необходимая для его формирования. Инструкции для создания пяти пальцев, двух пятен-глазков, шести ног или белых и черных полос закодированы в геноме того вида, который обладает соответствующими признаками. Означает ли это, что существуют гены, ответственные за создание пальцев, пятен, полос и т.д.? В первой части книги я расскажу о том, каким образом в геноме закодированы анатомические признаки. Во второй части книги мы поговорим об эволюционном разнообразии. Понятно, что в ДНК животных с тремя или четырьмя пальцами, двумя или семью пятнами-глазками, шестью или восемью ногами, а также с белой или черной окраской содержатся разные инструкции. Эволюция формы в конечном счете сводится к генетике. Но чтобы понять, каким образом гены создают всю потрясающую красоту животного мира, нам сперва придется обратиться за подсказкой к монстрам.

Когда я был маленьким, гвоздем субботней телепрограммы для меня были фильмы ужасов про монстров — Creature Feature. Мой лучший друг Дейв обожал это шоу. Он сидел перед телевизором в своем подвале с опущенными шторами и выключенным светом, с бейсбольной битой под рукой, снабдив окна и двери всякими хитроумными приспособлениями на случай, если какому-нибудь монстру вздумается его навестить. Он часами смотрел фильмы про Годзиллу, Дракулу, мумию или еще кого пострашнее. Потом Дейв пересказывал нам основные сюжетные линии и рассуждал о сравнительных способностях и уникальных свойствах всех этих чудовищ. Живое воображение, подкрепленное стоявшей рядом с ним двадцатилитровой банкой попкорна и банкой сахарной глазури, заставляли его почти поверить в реальность этих существ.

Восхищение чудовищами, смешанное с ужасом, универсально и имеет древнюю историю. Начиная с древнегреческих мифов и кончая современными фильмами ужасов, люди населяли свои творения разнообразными великанами, мутантами и отвратительными уродцами. Я не разделял увлечение Дейва монстрами (как и его пристрастие к сахару), однако в развитии эмбриологии монстры сыграли немаловажную роль. Одним из успешных подходов к пониманию нормального развития животных было изучение различных уродцев с аномальным количеством частей тела или их неправильным расположением. Некоторые из этих существ были созданы человеком, другие стали такими вследствие повреждений и нарушений в процессе внутриутробного развития, а третьи — в результате редких природных мутаций. Открытия, сделанные в ходе изучения таких монстров, недавно позволили выявить специфические механизмы сборки тела и частей тела животных.

Циклопы: мифы и реальность

Афиша к фильму "Циклоп" (1956). В & Н Productions, Inc. All rights reserved.

Я никогда не верил в сказки об оживших мертвецах, о превращении людей в летучих мышей или мух, о гигантских гориллах размером с небоскреб, о полулюдях-полулошадях (-полукозах, -полузмеях, -полурыбах и т.д.), об огнедышащих драконах и невидимках. Я относил все это к категории сказочных страшилок. То же самое касалось монстров с одним-единственным глазом на лбу, но тут я, как выясняется, был неправ.

Я знал несколько мифов о циклопах, но не подозревал, что животные с одним глазом на лбу хорошо известны ученым. В частности, в какой-то момент в штате Юта от 5 до 7% новорожденных овец были поражены циклопией — летальным пороком развития, в результате которого единственный глаз у них располагался на лбу, ноздри и челюсть отсутствовали, а полушария мозга были неразвиты (рис. 2.1). Это нарушение называется голопрозэнцефалией, что означает "единый передний мозг" и проявляется главным образом в том, что передний мозг и глаз не разделяются на симметричные структуры.

Рис. 2.1. Ягненок-циклоп. Дефект вызван тем, что мать в критический период беременности находилась под воздействием циклопамино — токсичного вещества, вырабатываемого растением Veratrum californicum. Фотография предоставлена Линн Джеймс из Центра изучения ядовитых растений, Логан, штат Юта.

Выяснилось, что высокая частота распространения циклопии у овец была вызвана тем, что на пастбищах, где они паслись, встречалось лилейное растение Veratrum californicum. Если овца ела эту траву в критический период беременности (примерно на четырнадцатый день), то могло произойти нарушение развития плода. Это растение вырабатывает химическое вещество циклопамин, которое обладает тератогенным действием (от греческого слова teras, что означает монстр) и нарушает нормальное развитие эмбриона.

Циклопамин — лишь один из множества тератогенов. Известно немало химических веществ, оказывающих негативное влияние на развитие эмбриона. Наверное, наиболее печальную известность приобрел лекарственный препарат талидомид, предназначавшийся для устранения тошноты при беременности. Прием беременными женщинами этого препарата в конце 1950-х и начале 1960-х гг. привел к рождению тысяч людей с различными дефектами. Хотя ученые знали о подобных молекулах уже много десятилетий, механизм их действия оставался неизвестным до тех пор, пока сравнительно недавно эмбриологи и молекулярные биологи не объединили свои усилия. Успех в изучении механизма действия тератогенных веществ был достигнут в результате более тонких экспериментов, в особенности тех, что включали манипуляции с эмбрионами и генами.

Губы тритона и крылья цыпленка

На протяжении всего прошлого столетия биологи с помощью скальпелей, игл, пинцетов и всевозможных других инструментов резали, перетягивали, жгли, измельчали, скручивали и прокалывали эмбрионы, пытаясь обнаружить основные правила, по которым строятся животные. Пионеры эмбриологии целиком и полностью полагались на физические методы, когда перемещали и удаляли клетки, а затем анализировали аномалии формирования эмбриона. В результате этих "жестоких пыток" было получено несколько монстров, чьи поразительные признаки позволили выявить несколько ключевых закономерностей, регулирующих процессы развития животных[3].

В первую очередь среди всех ученых-эмбриологов того времени следует назвать Ганса Шпемана, который был первым и на протяжении шестидесяти с лишним лет единственным эмбриологом, удостоенным Нобелевской премии (впрочем, впоследствии, как мы с вами убедимся, эмбриологи наверстали упущенное). В одном из своих первых экспериментов Шпеман попытался установить, одинаковыми ли свойствами обладают две первые клетки эмбриона тритона. Шпеман взял тонкий волосок с головы своей дочери и туго затянул сделанную из него петлю между двумя первыми клетками, разделив эмбрион на две половинки. Каждая из клеток дала начало нормальному головастику, и это говорило о том, что из двух половинок раннего эмбриона земноводного могут появиться два совершенно одинаковых животных.

Но когда Шпеман разделил эмбрион по-другому, перевязав его перпендикулярно области контакта между двумя первыми клетками, эффект был совершенно иным. С одной стороны образовывался нормальный головастик, а с другой стороны разрасталась неорганизованная масса ткани. В конечном итоге это помогло установить, что участок эмбриона, называемый дорсальной губой бластопора, играет ключевую роль в развитии эмбриона. Если этот участок удалить, эмбрион превращается в сгусток ткани, в котором отсутствуют структуры, в норме формирующие спинную (дорсальную) сторону туловища. Кроме того, если дорсальную губу бластопора пересадить на будущую брюшную (вентральную) сторону другого эмбриона, происходит образование второй эмбриональной оси и развиваются два сросшихся эмбриона (рис. 2.2). Шпеман назвал этот участок "организатором", поскольку установил, что он организует образование нервных тканей в дорсальной части эмбриона и может инициировать развитие дополнительной оси тела при пересадке[4].

Рис. 2.2. Индукция дополнительной (вторичной) оси тела. Пересадка ткани "организатора" в другой участок эмбриона вызывает образование еще одного эмбриона, "сиамского близнеца", соединенного с первым. Фотографию предоставили Хироки Курода и Эдди де Робертис, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.

Впечатляющий эксперимент Шпемана показал, что упорядоченное развитие эмбриона обеспечивается взаимодействием между его частями. Были обнаружены и другие организаторы с такими же поразительными свойствами, показавшие, как этот принцип работает на самых разных уровнях: на уровне целого эмбриона, отдельных его частей и вплоть до мельчайших структур. Давайте познакомимся с двумя другими организаторами, не менее важными, чем дорсальная губа бластопора.

Образование конечностей всегда вызывало восторг у эмбриологов. Начиная с маленького бугорка на боку у зародыша, конечность проходит в своем развитии множество стадий, пока не примет окончательную форму. У трехдневного эмбриона цыпленка этот бугорок составляет в длину и в ширину не более 1 мм, но к моменту вылупления из яйца конечность увеличивается в размере примерно в тысячу раз. В ходе развития маленькая лапка растет и удлиняется, приобретает кости, хрящи, мускулы, сухожилия, пальцы и перья, прекрасно демонстрируя скоординированность процессов развития. Возможно, самым удивительным является строго упорядоченный процесс образования хрящевой ткани (которая впоследствии заменяется костной тканью). Хрящ образуется вокруг плотного скопления клеток и закладывается по направлению от плеча к кисти и далее к пальцам. За ходом процесса можно проследить с помощью специальных красителей (рис. 2.3). Строгий порядок событий при развитии конечностей и наличие у конечности полярности, которую мы наблюдаем в виде четкой последовательности пальцев, означают, что зачаток конечности, как и эмбрион в целом, может каким-то способом проинструктировать клетки, чем они должны в конце концов стать.

Рис. 2.3. Формирование конечностей у цыпленка. Всего за несколько дней в ходе эмбрионального развития ноги и крылья цыпленка очень сильно увеличиваются. За образованием хрящевой ткани, предшествующим формированию костей, можно проследить с помощью специальных красителей Этот процесс начинается с проксимальных частей конечностей и заканчивается формированием пальцев. Обратите внимание, что детали анатомического строения крыльев и ног различаются. Фотографии предоставлены Джозефом Лэнкманом и Джоном Фоллоном, факультет анатомии Университета Висконсина.

Несколько десятилетий назад другой пионер эмбриологии, Джон Сондерс, открыл в почке крыла куриного эмбриона организатор полярности конечности. В норме куриное крыло имеет три пальца, которые по размеру и форме можно идентифицировать как пальцы 2, 3 и 4 (в направлении от передней к задней части крыла; пальцы 1 и 5 в крыле не формируются). Когда Сондерс пересадил кусочек ткани из задней части зачатка крыла (оттуда, где должен был появиться 4-й палец) в переднюю часть крыла (где в норме появляется 2-й палец), сформировалось крыло, имеющее дополнительные пальцы. Эти дополнительные пальцы представляли собой зеркальное отображение нормальных пальцев: вместо последовательности пальцев 2, 3, 4 возникла последовательность 4, 3, 2, 3, 4 (рис. 2.4). Такая зеркальная полярность говорит о том, что клетки в задней зоне почки крыла организуют полярность последовательности пальцев (4, 3, 2), и если эти клетки пересадить в другое место, точно такая же последовательность возникает и там.

Рис. 2.4. Индукция полидактилии у курицы. Трансплантация зоны поляризующей активности (ЗПА) из заднего участка зачатка развивающегося крыла в новое место в передней зоне приводит к появлению дополнительных пальцев, последовательность которых имеет полярность, противоположную нормальной. Фотографии предоставлены Джозефом Лэнкманом и Джоном Фоллоном, факультет анатомии Университета Висконсина.

Сферы влияния организатора Шпемана и зоны поляризующей активности (ЗПА) в конечности цыпленка достаточно широки. Эти организаторы воздействуют на развитие всего эмбриона или значительных участков его тела. Однако были обнаружены организаторы, действующие на развивающиеся структуры гораздо меньшего размера. В 1980 г. Фредерик Нийхут из Университета Дьюка показал, что формирование пятен-глазков на крыльях бабочек также индуцируется организаторами. Когда Нийхут убивал микроскопическую группу клеток, которая должна была формировать центр глазка, глазок не образовывался. Более того, он обнаружил, что если эту группу клеток удалить из крыла бабочки в первые сутки развития на стадии куколки и пересадить в любой другой участок крыла, пятно-глазок появляется на новом месте (рис. 2.5). Причем такой способностью обладают только клетки из центральной части пятна. Нийхут назвал организатор пятна-глазка "фокусом".

Рис. 2.5. Индукция развития пятна-глазка на крыле бабочки. Пересадка клеток из центральной части глазка в развивающемся крыле в другое место приводит к появлению глазка на этом участке. Фотография Фредерика Нийхута из его книги "Развитие и эволюция рисунка на крыльях бабочек" (The Development and Evolution of Butterfly Wing Patterns).

Все организаторы обладают способностью влиять на морфогенез (процесс, приводящий к созданию формы) тканей или клеток. Такую их специфическую активность объясняют в первую очередь тем, что клетки организаторов производят вещества, влияющие на развитие других клеток. Такие вещества называются морфогенами. Влияние организаторов зависит от их расстояния до клеток-мишеней: клетки, расположенные поблизости от организатора, испытывают наиболее сильное воздействие, а те, что расположены дальше в эмбрионе тритона, зачатке конечности или крыле бабочки, подвергаются меньшему воздействию. Уже давно появилось предположение о том, что морфогены, образующиеся в клетках определенного участка, диффундируют оттуда, создавая градиент концентрации. То есть идея такова, что клетки, окружающие источник морфогена, реагируют на него в соответствии с полученным количеством вещества. Например, в почке крыла курицы клетки, расположенные вблизи ЗПА, формируют задний палец (палец 4), а те, что расположены дальше, формируют следующие пальцы (соответственно, 3 и 2). В пятнах-глазках на крыльях бабочек концентрические круги окрашенных в разные цвета чешуек, по-видимому, являются результатом ответа на уровень морфогена, синтезируемого клетками "фокуса", разный в зависимости от расстояния от источника.

Морфогены, ответственные за активность организаторов, можно назвать Чашей Грааля в эмбриологии. Основной трудностью в этой области исследований было то, что активность организаторов является результатом действия целой группы клеток. Любая клетка производит тысячи веществ, и нельзя было исключать, что за активность организаторов отвечают несколько субстанций. Пересадка клеток — это мощный инструмент исследования, но эмбриологам предстояло отыскать способ находить морфогены в густом биохимическом бульоне. Ждать пришлось несколько десятилетий.

Перспективные монстры

Созданные Шпеманом, Сондерсом и Нийхутом животные были рукотворными монстрами с удвоенными осями симметрии, с дополнительными пальцами или с измененным рисунком крыльев. На самом деле еще в 1894 г. Бэтсон в трактате "Материалы по изучению изменчивости" (Materials for the Study of Variation) описал и классифицировал целый ряд "монстров" с отсутствующими, лишними или измененными частями тела. Из различных музеев, коллекций и анатомических лабораторий со всей Европы Бэтсон собрал целый зверинец уродцев, среди которых были сосновый пилильщик и шмель с ногами вместо левой антенны, речной рак с дополнительным яйцеводом, бабочки с отсутствующими или дополнительными пятнами, лягушки с дополнительными или "неправильными" позвонками и многое другое (рис. 2.6). Бэтсон разделил обнаруженные им аномалии на две категории: с изменением числа повторяющихся элементов или с превращением одной части тела в подобие другой. Вторую категорию аномалий он назвал гомеозисными изменениями (от греч. слова homeos, что означает такой же или похожий). Этот термин стоит запомнить. На основании соответствующего материала Бэтсон хотел показать, что в природе происходят определенные морфологические скачки и что именно они могут быть основой эволюционных изменений. Сразу хочу заметить, что какой бы притягательной на первый взгляд ни казалась идея Бэтсона, биологи с достаточным на то основанием обычно утверждают, что такое скачкообразное развитие эволюции является очень и очень маловероятным. Само существование подобных вариаций вовсе не позволяет считать их основанием для возникновения новых видов. Скорее, наши знания говорят о том, что эти монстры почти наверняка являются ошибками и будут вычищены из популяции естественным отбором без малейшей возможности передать свои признаки потомкам. Это представление о "перспективных" монстрах, способных дать начало новым формам животных за один скачок, оказалось очень трудно развеять. Оно особенно прижилось в научно-популярных средствах массовой информации (несколько лет назад канал Би-би-си даже выпустил программу с таким названием — я тщетно пытался убедить продюсера, что эта теория опровергнута). Это соблазнительная идея, но она не имеет смысла. По ходу повествования мы с вами убедимся в том, что нет никаких оснований считать перспективных монстров агентами эволюции.

Рис. 2.6. Некоторые из монстров Бэтсона. Слева вверху представлен пример гомеозисной мутации у шмеля, в результате которой на месте одного усика у него появилась нога. Справа вверху: исчезновение пятен-глазков на крыле у бабочки. Внизу: варианты морфологии позвонков и их отростков у лягушки. Из книги У. Бэтсона "Материалы по изучению изменчивости" (Materials for the Study of Variation, 1894).

Основной недостаток коллекции Бэтсона, пожалуй, в том, что большинство ее экземпляров имели дефект лишь в одной паре структур. Эти необычные экспонаты были весьма редкими находками, и причина подобных дефектов была неизвестна. Важно было понять, например, являются ли эти уродства генетическими или же возникают в результате физического повреждения в процессе развития эмбриона (и поэтому не наследуются). Таким образом, информация, которую можно было извлечь из экспонатов Бэтсона, касалась не причин эволюции, а того, какую роль в эволюции может играть развитие. Как говорилось в одном из трудов Стивена Джея Гулда, повлиявших на смену направления моей научной деятельности, монстры Бэтсона "перспективны" для науки, но безнадежны как особи.

Сколько пальцев? Вариации числа пальцев: от Анны Болейн до бейсбольных питчеров

В коллекции Бэтсона присутствовали и человеческие уродства: здесь были люди с дополнительными ребрами, человек с лишними сосками, удивительная левая рука с восемью пальцами, расположенными симметричным образом, а также люди с лишними пальцами на одной или обеих руках (рис. 2.7). Этот последний дефект, называемый полидактилией, встречается не так уж редко, примерно у 5-17 из 10 000 живорожденных детей.

Рис. 2.7. Полидактилия у человека. Из книги У. Бэтсона "Материалы по изучению изменчивости", 1894.

Степень выраженности полидактилии бывает разной — от кожного выроста со стороны большого пальца или мизинца до дополнительного ногтя, отдельной фаланги или целого пальца. Дополнительные пальцы могут быть отделены от остальных или срощены с ними. В последнем случае этот дефект называют синполидактилией. В некоторых случаях дополнительные пальцы возникают симметрично на двух руках и двух ногах (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Полидактилия рук и ног. У этого человека по шесть пальцев на руках и по семь на ногах. Фотографии предоставлены Робертом Хиллом, отделение генетики человека Совета по исследованиям в области медицины, Эдинбург, Шотландия; PNAS 99 (2002): 7548.

Люди обычно неплохо живут с лишними пальцами. В истории описаны случаи полидактилии у известных персон, включая Анну Болейн, жену английского короля Генриха VIII, у которой, вероятно, на одной руке был лишний ноготь. По некоторым сведениям, дополнительные пальцы были у французского короля Карла VIII и Уинстона Черчилля. У бейсболиста Антонио Альфонсека, выигравшего в 2003 г. Мировую серию в составе команды "Флорида марлине", по шесть пальцев на каждой руке. Дополнительные пальцы никак не влияют на его способность удерживать мяч, но, по-видимому, оказывают психологическое давление на противника, поскольку подачу против Альфонсеки бейсболисты называют "встречей с шестипалым".

Полидактилия часто является наследственным признаком, и известны целые семьи, где он передается из поколения в поколение. Например, в районе Алтыпармак вблизи города Эфес в Турции некоторые семьи носят фамилию Алтыпармак, что означает "шестипалый^и.

Полидактилия широко распространена среди позвоночных, особенно среди кошек, мышей и кур. Удивительно, что сходная аномалия в расположении пальцев встречается у животных разных видов, включая человека, и может быть наследственной или вызываться экспериментальными манипуляциями. Это говорит о том, что может существовать какой-то общий механизм, способствующий появлению дополнительных пальцев у человека и курицы. Забавно, что прогресс в этой области исследований наметился только в результате изучения некоторых выдающихся мутантов среди животных, которые вообще не имеют пальцев, — скромных плодовых мушек.

Монстры среди дрозофил

Монстры могут помочь нам в изучении законов развития только в том случае, если у нас есть постоянный источник аномальных особей, которых можно выводить в лабораторных условиях и чьи потомки имеют те же признаки. В 1915 г. генетик Кэлвин Бриджес получил первого способного к размножению гомеозисного мутанта плодовой мушки Drosophila melanogaster, которая тогда только начинала завоевывать популярность у генетиков как объект исследований. Бриджесу удалось найти спонтанную мутацию, в результате которой маленькие задние крылья дрозофилы становились похожими на крупные передние крылья. Он назвал этого мутанта Bithorax. Впоследствии среди дрозофил были идентифицированы и другие гомеозисные мутанты. Например, у мутанта Antennapedia вместо антенн на голове ноги (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Гомеозисный мутант дрозофилы. Слева: голова нормальной дрозофилы. Справа: голова дрозофилы с мутацией Antennapedia, у которой антенны превратились в ноги. Фотографии предоставлены Руди Тернером, Университет Индианы.

Удивительно, что у этих гомеозисных мутантов одна структура полностью превращается в другую. Дело не в том, что процесс развития задерживается или нарушается, а в том, что изменяется судьба целой структуры, которая формируется в неправильном месте или состоит из неправильного количества частей. Важно то, что происходит замена одного сериального гомолога на подобие другого (антенны заменяются ногами, передние крылья задними). Кроме того, особенность подобных превращений заключается в том, что они возникают из-за мутации всего-навсего одного гена. У дрозофилы мутации лишь нескольких гомеозисных генов приводят к появлению гомеозисных форм, и это означает, что за дифференцировку сериально гомологичных частей тела у этих животных отвечает небольшое число генов развития.

Исследование гомеозисных мутаций привело сначала к революции в эмбриологии, а потом — к революции в эволюционной биологии. Но чтобы понять значение этих мутаций, нужно понять механизм работы генов развития. Как отдельный ген может повлиять на формирование одной структуры и не оказать влияния на формирование другой? Что такое важное, оказывающее столь серьезное влияние на форму тела животного кодируют эти гены? Возможно, вы скажете: "Дрозофилы? А почему я вообще должен интересоваться дрозофилами?" Ответить на все эти вопросы помогут более глубокие знания о структуре ДНК и работе генов, а поэтому мы с вами познакомимся с некоторыми удивительными открытиями, касающимися строения генома различных животных.

Шуточная иллюстрация к знаменитому изречению Жака Моно. Масштабный отрезок составляет 1 микрометр (слева) и 1 метр (справа). Рисунок предоставлен доктором Саймоном Сильвером, Университет Иллинойса, Чикаго.

"Мы хотим предложить структуру для соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура обладает новыми свойствами, представляющими значительный интерес для биологии". Такими словами начиналась статья, в которой в 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик сообщили об открытии строения генетического материала. ДНК — это универсальный носитель информации во всех шести царствах организмов — бактерий, архей, простейших, грибов, растений и животных. Примерно через десять лет был разгадан еще один универсальный принцип организации живого — генетический код. Но, может быть, остались неоткрытыми другие универсальные закономерности? Клетки, ткани и органы (если они есть) представителей разных царств очень сильно различаются по важным параметрам. Внутри каждого царства тоже существует значительное разнообразие — например, к животным относятся как малюсенькие планктонные организмы, так и гигантские млекопитающие, морские и наземные. Классификация организмов, выводы о том, похожи они или не похожи друг на друга, в значительной мере основаны на их внешности. Поэтому бытует мнение, что чем сильнее животные различаются по внешнему виду, тем меньше между ними общего на генетическом уровне.

К концу этой главы вы поймете, что такая точка зрения не всегда справедлива. В этой главе нас ждет множество неожиданностей. Вы узнаете несколько историй о важных (и прекрасных!) открытиях, которые изменили наше представление об эволюции животных. Вы узнаете о глубоких и неожиданных связях между разными формами. Я начну с короткого рассказа об одной бактерии и на ее примере изложу основные законы генетики. Затем мы перейдем к более сложным созданиям, познакомимся с гомеозисными генами плодовой мушки и в конце концов охватим все царство животных.

Белки, ДНК и генетическая логика

Подумайте о различных типах клеток в нашем теле — что они делают и почему? Эритроциты переносят кислород к тканям, клетки пищеварительных органов участвуют в переваривании пищи, нервные клетки передают электрические импульсы по нервной системе, мышечные клетки приводят в движение различные части тела. Специализация этих клеток основана на выработке ими специфических белков — молекул, которые выполняют всю работу в организме. Эритроциты синтезируют кислород-связывающий белок гемоглобин, клетки поджелудочной железы — трипсин и другие белки, которые расщепляют пищу на отдельные компоненты, нейроны синтезируют белки, устанавливающие электрический потенциал, а мышечные клетки синтезируют белки, которые собираются в длинные волокна, определяющие силу мышц. Однако хотя все эти клетки заняты разной работой, все они содержат одну и ту же генетическую информацию, заключенную в молекулах ДНК. Тем не менее клетки каждого типа синтезируют специфические белки и отличаются от остальных. Избирательный синтез белков в строго определенных местах или в строго определенное время является основой для построения сложных организмов.

Прежде чем биологи разобрались, как устроены различные клетки в организме животных, им пришлось разгадать, как хранится, копируется и расшифровывается генетическая информация в простых организмах, таких как кишечная палочка Escherichia coli. Известно несколько штаммов бактерии Е. coli, среди которых есть как полезные, так и довольно опасные для нас. Для молекулярных биологов Е. coli оказалась замечательным союзником, который помог раскрыть основные правила логики и механизмов работы белков и генов. Информация, полученная с помощью этой простой бактерии, позволяет рассуждать о развитии и эволюции более сложных организмов.

Сначала интерес биологов к бактерии Е. coli возник в связи с явлением индукции ферментов. Е. coli предпочитает простому сахару глюкозу, но если глюкозы нет, она может расщеплять и использовать другие сахара. Сахар лактоза расщепляется на глюкозу и галактозу под действием фермента, называемого β-галактозидазой. Если Е. coli растет на среде с глюкозой или с другим источником сахара, β-галактозидаза образуется очень медленно и в очень небольшом количестве. Бактерия не тратит энергию на то, чтобы синтезировать белок, в котором нет нужды. Но когда глюкозы нет, а в среде появляется лактоза, скорость синтеза фермента увеличивается в тысячу раз, и его присутствие можно зафиксировать всего через три минуты. Каким-то образом бактерия ощущает присутствие лактозы и при необходимости начинает синтезировать нужный фермент. Как такая простая клетка "узнает", какой фермент производить? Каким образом синтез нужного фермента индуцируется в присутствии того самого вещества, которое он должен разрушить?

Ответы на эти вопросы нашли Франсуа Жакоб и Жак Моно, которые вместе с Андре Львовым в 1965 г. за свои открытия были удостоены Нобелевской премии. Ни одного из троих нельзя назвать теоретиком из "башни из слоновой кости". Жакоб и Моно пришли работать в Институт Пастера после Второй мировой войны, во время которой Моно участвовал во французском Сопротивлении, Львов собирал разведданные и иногда прятал у себя дома сбитых летчиков, а Жакоб был офицером медицинской службы в Северной Африке в составе движения "Свободная Франция", а потом был тяжело ранен в Нормандии в августе 1944 г. Историческое значение их работы, чрезвычайная важность следствий из нее, а также необыкновенные личные качества ее авторов делают историю открытия индукции ферментов и логики работы генов бактерии одной из наиболее драматичных историй в современной биологии.

Чтобы понять механизм индукции ферментов и его роль в сложных организмах, мы должны разобраться в основах структуры и функции ДНК, РНК и белков. Я согласен, что это может показаться трудным, но как только вы представите себе все эти компоненты в действии, вам станет ясна логика биологических процессов. А главное, вскоре нам предстоит сделать несколько больших открытий, оценить которые можно лишь тогда, когда вы поймете роль разных классов молекул, составляющих живой организм.

Связь между ДНК, РНК и белком заключается в следующем: ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а РНК, в свою очередь, является матрицей для синтеза белка. Таким образом, заключенная в ДНК информация в два этапа перекодируется в белки, которые и выполняют всю работу в клетках и целых организмах.

Сначала я хочу рассказать вам о хромосомах, генах и ДНК (рис. 3.1). Любую очень длинную молекулу ДНК в клетке называют хромосомой. Гены представляют собой отдельные фрагменты молекулы ДНК. ДНК состоит из двух нитей, которые составлены из "кирпичиков", называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит одно основание, а всего существует четыре вида этих оснований, которые обозначают буквами А, С, G и Т. Нити ДНК удерживаются вместе за счет сильных парных взаимодействий между основаниями, находящимися на противоположных нитях. В клетке может быть всего одна хромосома (как в E. coli), а может быть гораздо больше (у нас с вами их двадцать три пары). Уникальная последовательность нуклеотидов в ДНК (например, ACGTCGAATT...) определяет уникальную информацию, закодированную в каждом гене.

Рис. 3.1. Хромосомы, ДНК и гены. Хромосомы — это длинные молекулы ДНК, состоящие из тысяч генов. ДНК состоит из двух нитей, образованных нуклеотидами (А, С, G и Т), которые удерживаются вместе за счет связей между основаниями на противоположных нитях. Отдельные гены — это участки последовательности ДНК разной длины. Рисунок Лианн Олдс.

Теперь давайте посмотрим, как происходит расшифровка заключенной в ДНК информации.

Первая стадия расшифровки информации гена называется транскрипцией. Этот процесс заключается в синтезе однонитевого транскрипта матричной РНК (мРНК), который комплементарен одной из двух нитей молекулы ДНК. Вторая стадия заключается в переводе последовательности мРНК в последовательность белка; этот процесс называется трансляцией (рис. 3.2). Для перевода РНК в белок используется универсальный генетический код. "Кирпичиками" для строительства белков служат аминокислоты, соединяющиеся в длинные цепи. Между последовательностью оснований в ДНК и последовательностью аминокислот в белке имеется прямое соответствие. Последовательность аминокислот в каждом белке определяет его форму и свойства: переносит ли он кислород, формирует мышечные волокна или расщепляет лактозу.

Рис. 3.2. Расшифровка информации, заключенной в ДНК, осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит транскрипция ДНК с образованием матричной РНК (мРНК). На втором этапе происходит трансляция мРНК в молекулу белка. Рисунок Джоша Клейса.

Вернемся к Е. coli и попытаемся понять, каким образом бактерии удается синтезировать β-галактозидазу только тогда, когда в среде присутствует лактоза. Моно и Жакоб поняли, что синтез фермента контролируется переключателем, находящимся в гене β-галактозидазы. Когда лактозы нет, переключатель выключен, когда она есть — он включается. Переключатель состоит из двух основных компонентов: белка, называемого lac-репрессором, и короткой последовательности ДНК вблизи гена β-галактозидазы, с которой связывается белок lac-репрес-сор. Когда белок-репрессор связывается с этой последовательностью ДНК, ген выключается (репрессируется) и синтеза РНК и белка не происходит. Но в присутствии лактозы репрессор отсоединяется от ДНК и начинается синтез транскрипта РНК и фермента (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Роль переключателя в синтезе β-галактозидазы и метаболизме лактозы в клетках Е. coli. Когда лактозы нет, белок lac-penpeccop связывается с переключателем и подавляет транскрипцию. В присутствии лактозы репрессор отсоединяется от ДНК, начинаются транскрипция и трансляция и образуется фермент. Рисунок Джоша Клейса.

Контроль синтеза фермента с помощью lac-репрессора — классический пример логики регуляции работы гена: ген используется лишь тогда, когда это необходимо. Всего в клетках E. coli 4288 генов, но в каждый конкретный момент времени работает лишь часть из них. У человека более 25 000 генов, но в каждом конкретном типе тканей или органов используется лишь часть из них. Можно назвать две основные закономерности работы генов у бактерий, и мы еще неоднократно обратим на них внимание.

Невозможно переоценить значение открытия генетических переключателей в клетках бактерий. Жакоб и Моно не просто открыли элегантный механизм контроля клеточной физиологии. Это открытие позволило разгадать тайну клеточной дифференцировки в более сложных организмах, включая нас с вами. Ученые поняли, что функции клеток крови, головного мозга, мышц и т.д. определяются синтезом специфических для конкретной ткани белков. Открытие индукции ферментов в бактериях проложило путь к пониманию функции специализированных клеток в органах и тканях животных. Но Жакоб и Моно были не только талантливыми генетиками. Они прекрасно писали, и их научные статьи, опубликованные в начале 1960-х гг., относятся к числу самых красивых, четких и убедительных трудов во всей биологической литературе. Они писали и книги. Книга Моно "Случайность и необходимость" (Hasard et la Necessite) так же хорошо известна в литературных и философских кругах, как и в среде биологов. Жакоб тоже написал несколько классических книг, включая замечательную автобиографию.

Потенциальные следствия из этих открытий были настолько широки, что Моно остроумно заметил: "Что верно для E. coli, то верно и для слона". Это было смелое обобщение, учитывая состояние биологической науки в тот период.

До изучения генов слонов в 1965 г. было еще далеко. Прав ли был Моно? Действительно ли логика процессов в микроскопических бактериях распространяется и на более крупных и сложных обитателей Земли? Ответить на этот вопрос нам помог не слон, а маленькое насекомое — дрозофила, благодаря которой был сделан ряд совершенно неожиданных, революционных открытий. А началось все с тех же гомеозисных монстров.

Гомеобокс

Гомеозисные мутанты плодовых мушек манили к себе многих молодых биологов. Мушки с ногами на голове, с дополнительной парой крыльев или с ногами на месте ротовых придатков — возможно, их кинематографический вид способствовал их привлекательности в качестве научного объекта. Но все же, скорее всего, исследователей привлекало то, что все эти удивительные существа появлялись в результате мутации единичных генов. Как изменение в одном-единственном гене может так сильно изменить форму тела? В чем заключается "нормальная" функция этих удивительных генов?

Ответить на эти вопросы удалось благодаря развитию технологии клонирования генов. Как только метод клонирования стал применяться более широко, несколько смелых биологов занялись изучением гомеозисных генов дрозофилы. Этой работе помогли многолетние генетические исследования, показавшие, где именно на третьей (из четырех) хромосоме дрозофилы находятся эти гены. Оказалось, что все они организованы в два кластера, расположенных по соседству. Один кластер, названный комплексом Bithorax, содержит три гена, которые влияют на строение задней части тела мушки, другой кластер, названный комплексом Antennapedia, состоит из пяти генов, которые влияют на строение передней части тела. Более того, порядок расположения генов в кластерах соответствует порядку расположения тех частей тела, за формирование которых они отвечают (рис. 3.4). Эта интересная, но непонятная связь зародила в ученых надежду, что в этих комплексах генов кроется ключ к пониманию общей логики построения тела животного.

Рис. 3.4. Hox-гены дрозофилы. Восемь генов (сокращенные названия lab, pb и т.д.) локализованы на одной и той же хромосоме дрозофилы, и каждый ген определяет особенности развития определенного участка тела мушки; эти участки расположены вдоль передне-задней оси тела мухи (выделены серым цветом разной интенсивности). Рисунок Лианн Олдс.

К 1983 г. ДНК из этих двух комплексов генов была выделена и проанализирована. Одна из первых задач заключалась в идентификации белков, закодированных восемью гомеозисными генами. Первым важным открытием стало то, что каждый из этих генов, размером около 1000 пар оснований, содержит практически идентичную короткую последовательность примерно из 180 оснований. В результате трансляции эта последовательность превращается в 60-аминокислотный домен, входящий в состав всех восьми белков. Это было безумно интересно, так как означало, что, хотя каждый гомеозисный ген оказывает специфическое влияние на определенную часть тела, все гомеозисные белки имеют какие-то сходные функции. У молекулярных биологов есть традиция давать названия отдельным элементам ДНК. Поскольку последовательность из 180 пар оснований в гомеозисных генах представляла собой маленький "ящик" ("бокс") общности в длинных последовательностях ДНК, эту общую последовательность ДНК стали называть гомеобоксом, а кодируемую ею последовательность белка — гомеодоменом. Позднее для краткости гомеозисные гены с гомеобоксами этого типа стали называть Hox-генами.

Но что делает этот гомеодомен, какими свойствами обладает? Мой коллега по лаборатории, Аллен Лафон, определил последовательность одного гена из комплекса Antennapedia и попытался понять, как он работает. Одна из стратегий, которую биологи применяют для изучения новых последовательностей, заключается в поиске сходства между ними и уже известными молекулами. Поэтому Аллен стал сравнивать гомеодомен со всеми белками, которые когда-либо были изучены, считая, что если он найдет структурное сходство, то сможет подобраться к разгадке функции гомеодомена.

Где-то он уже однажды видел структуру, напоминавшую гомеодомен...

Да это же lac-репрессор! И не только lac-репрессор, но и весь набор ДНК-связывающих белков, которые связываются с переключателями в бактериях и дрожжах.

Эврика!

Найденное сходство означает, что гомеодомен представляет собой ДНК-связывающий домен, встроенный в структуру белка. Скорее всего, гомеозисные белки также могут регулировать действие переключателей в организме животных, и именно по этой причине они влияют на формирование и дифференцировку структур.

Это важная новость. Однако скептики могут заметить, что мы продвинулись в своих знаниях от малюсенькой бактерии до малюсенькой мухи. Ну и что? Как это помогает разобраться в строении великолепных животных, о которых мы собирались поговорить? И в строении нас самих?

Подобные заявления мне знакомы. Когда я защитил диссертацию и начал работать с дрозофилами, некоторые мои коллеги старшего поколения считали, что я потерял голову. Дрозофилы? Что они могут рассказать о людях или о других млекопитающих? Распространенная точка зрения, подкрепленная десятилетиями разрыва между биологами, работавшими на мышах, крысах или других традиционных моделях медицинской биологии, и теми, кто работал с "низшими" формами, состояла в том, что законы физиологии и развития млекопитающих чрезвычайно сильно отличаются от соответствующих законов у жуков или червяков. Различия эти настолько велики, что работать на таких объектах, как дрозофилы, многим (представьте себе!) казалось бессмысленным.

Но всех нас ждало множество сюрпризов.

Объединяя царство

Билл Макгиннис и Майк Левайн не считали, что у пушистых зверей должен быть какой-то особый статус. Кроме того, эти ученые, работавшие в лаборатории профессора Вальтера Геринга в Университете Базеля, очень интересовались гомеозисными мутантами. Когда они обнаружили, что в каждом гомеозисном гене дрозофилы есть гомеобокс, они сделали следующий логический шаг. Они начали выделять ДНК из всех живых существ, каких только могли найти в окрестностях Базеля, а также в соседних лабораториях, включая насекомых, земляных червей, лягушек, коров и людей, чтобы проверить их ДНК на наличие гомеобоксов.

Джекпот.

Они нашли множество гомеобоксов.

В результате детального анализа последовательностей гомеобоксов было обнаружено невероятное сходство этих последовательностей у разных видов животных. В гомеодоменах некоторых мышей и лягушек до 59 аминокислот из 60 совпадали с аминокислотами в гомеодоменах дрозофилы. Такое сильное сходство белковых последовательностей было удивительным. Эволюционные ветви, приведшие к появлению дрозофил и мышей, разошлись более 500 млн лет назад, еще до знаменитого кембрийского взрыва, давшего жизнь большинству современных видов животных. Ни один биолог не мог предполагать, что между генами столь отдаленных видов может существовать столь разительное сходство. Hox-гены оказались настолько важны, что их последовательности сохранялись в неизменном виде на протяжении невероятного долгого периода в эволюции животных.

Поначалу возникло несколько объяснений роли гомеобокса. Некоторые ученые не придали ему большого значения и предположили, что гомеобокс отвечает за какую-то рутинную функцию, например, обозначает местонахождение определенных белков в клетке. Но вскоре стало ясно, что гомеобоксы позволяют заглянуть гораздо глубже. Профессор Джонатан Слэк из Оксфордского Университета сравнил открытие гомеобокса с открытием Розеттского камня, позволившего расшифровать египетские иероглифы. Является ли гомеобокс ключом к разгадке процесса развития животных?

Через пару лет после обнаружения Hox-генов у позвоночных и других животных ученых ждало еще одно, возможно, даже большее потрясение. Когда стали анализировать расположение этих генов на хромосомах мыши, оказалось, что они тоже собраны в кластеры (их всего четыре), как у дрозофилы. Но что еще более удивительно, порядок генов в каждом кластере соответствует порядку расположения тех участков тела мыши, в которых эти гены экспрессируются. Это означает, что сходство между разными животными не ограничивается лишь последовательностью генов, но касается и их кластерной организации и того, как они используются в эмбрионе (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Соответствие кластеров Hox-генов и отдельных участков тела разных эмбрионов. Вверху: гены единственного кластера Hox-генов дрозофилы экспрессируются в разных участках эмбриона. Внизу: гены из четырех кластеров Hox-генов мыши экспрессируются в разных участках эмбриона. Рисунок Лианн Олдс.

Да, представьте себе. Кластеры Hox-генов определяют развитие столь разных животных, как дрозофилы и мыши, и теперь мы знаем, что это относится ко всем представителям царства животных, включая человека и слона. Ни один даже самый активный сторонник исследований на дрозофилах не мог предсказать, насколько Hox-гены важны и универсальны. Выводы оказались ошеломляющими. Не имеющие между собой абсолютно ничего общего животные строятся не только с помощью одних и тех же инструментов, но и с помощью одних и тех же генов!

Однако на этом сюрпризы не кончились.

Еще несколько уроков смирения от плодовой мушки: набор генов развития

Части тела дрозофилы не очень похожи на наши. У нас нет антенн и крыльев, у нас одна пара подвижных глаз, а вовсе не неподвижные фасеточные глаза, состоящие из 8оо ячеек. Наша кровь перекачивается четырехкамерным сердцем по замкнутой системе артерий и вен, а не просто плещется в единой полости. Мы передвигаемся на двух длинных ногах с прочными костями, а не на шести тонюсеньких лапках. Короче говоря, анатомия у нас абсолютно разная, поэтому трудно себе представить, что дрозофилы могут помочь нам в понимании того, как формируются наши собственные ткани и органы. Действительно, ученые предполагали, что некоторые структуры, такие как глаза, с их разнообразным анатомическим строением и оптическими характеристиками, в ходе эволюции животных возникали практически с нуля не менее сорока раз.

По этой причине изучение генов, ответственных за построение глаз дрозофил, не вызывало большого интереса. Но когда ученые из лаборатории Вальтера Геринга клонировали ген eyeless (безглазый — англ.), названный так по той причине, что при его мутации дрозофилы не имеют глаз, оказалось, что аналогичный ген уже известен у человека. Человеческий ген называется Aniridia (Аниридия). Его так назвали, поскольку его мутация приводит к уменьшению размера или, в тяжелых случаях, к полному исчезновению радужной оболочки глаза (ириса). Aniridia — это тот же самый ген, который у мыши известен как Small eye (Маленький глаз) и чья мутация приводит к аномалии или отсутствию глаз. Это открытие было достаточно интригующим, поскольку наши глаза камерного типа и сложные глаза дрозофилы имеют совершенно разную структуру и адаптированы к разным нуждам. Почему в формировании столь разных глаз участвует один и тот же ген? Что это — совпадение или нечто большее?

К ответу на этот вопрос нас приблизили два других эксперимента. Когда в результате специальных манипуляций ген eyeless включали в других частях тела мушки, ткани глаза появлялись на крыльях, ногах и в других местах (рис. 3.6). Этот факт, а также отсутствие глаз у мутантов с поврежденным геном eyeless показали, что этот ген является мастер-геном, т.е. ключевым геном для развития глаза. Без него образования глаза не происходит, а там, где он активен, ткань развивается в структуры глаза. Во втором эксперименте мышиный ген Small eye заставляли экспрессироваться в "неправильных" местах тела дрозофилы. Как вы думаете, что произошло?

Рис. 3.6. Мастер-ген eyeless контролирует формирование глаза. Нормальная голова дрозофилы с крупным фасеточным глазом (а); мутация гена eyeless у дрозофилы приводит к потере глаза (б); индукция развития глазной ткани на крыле у дрозофилы в результате экспрессии гена eyeless в крыле (в). Фотографии предоставлены Джорджем Холдером. Онкологический центр Андерсона, Хьюстон.

Результат был таким же, как и в эксперименте с геном дрозофилы — ткани дрозофилы начали образовывать структуры глаза. Однако важно заметить, что ткани образовывали структуры глаза дрозофилы, а не мыши. Так что, хотя все гены были похожими и их экспрессия оказывала похожее действие, окончательная форма структуры зависела от контекста развития, т.е. от вида организма-хозяина, а не от происхождения гена. Мышиный ген индуцировал мушиную программу развития глаза.

Гены eyeless, Aniridia, Small eye имеют общее, менее выразительное название — Рах-6. Происхождение этого названия не слишком важно, а вот распространение данного гена в царстве животных и его связь с развитием глаз очень важны. Оказалось, что ген Рах-6 связан с развитием глаз самых разных типов — простых, как у плоских червей, и гораздо более сложных, как у позвоночных. Объяснить связь гена Рах-6 с развитием глаз у животных можно двумя способами. С одной стороны, использование этого гена для построения глаз у различных животных могло быть случайным совпадением. С другой стороны, он мог использоваться для построения глаз у какого-то очень древнего общего предшественника всех животных, и его функция сохранилась на протяжении всей эволюции царства животных. Прежде чем выбрать правильный ответ, отметим еще более удивительные совпадения в развитии различных животных.

В моей лаборатории мы всегда интересовались проблемой происхождения и эволюции конечностей, поскольку ноги, крылья и плавники — это основные адаптационные приспособления для тех животных, у которых они есть. Несколько лет назад мы изучали роль гена Distal-less (сокращенно D//), название которого связано с тем, что при его мутации у дрозофилы не развиваются дистальные (наиболее удаленные от тела) участки конечностей. Мы хотели узнать, существует ли подобный ген у других видов животных. Мы с радостью обнаружили, что Dll также используется для формирования дистальных частей конечностей бабочки, а также ракообразных, пауков и многоножек. Это говорит о том, что Dll участвует в формировании конечностей у всех членистоногих. (Кроме того, наша статья помогла журналисту Дэвиду Бэрри объяснить читателям, почему он не ест омаров — потому что они, на самом деле, просто крупные насекомые. Не слишком изящный или корректный эволюционный аргумент, но мы оценили внимание к нашей работе.) Поскольку все эти животные относятся к одному типу и имеют сходное строение членистых конечностей, использование ими гена Dll имеет смысл. Неожиданностью оказалось другое открытие, сделанное нами и нашими коллегами при изучении конечностей животных, не состоящих в близком родстве с членистоногими.

Мы обнаружили, что ген Dll принимает участие в формировании любых отростков, отходящих от тел животных. Сюда относятся куриные ноги, рыбьи плавники, конечности морских червей (параподии), ампулы и сифоны асцидий и даже трубчатые ножки морских ежей. Как и ген Pax-6, ген Dll — пример мастер-гена, вовлеченного в создание весьма разнообразных структур, общим свойством которых является только связь с туловищем животного. Все упомянутые животные относятся к различным ветвям филогенетического древа. Поэтому роль Dll в эволюции конечностей, по-видимому, можно интерпретировать так же, как роль Рах-6 в эволюции глаз. Либо эволюция обращалась к помощи гена Dll независимо множество раз, чтобы с нуля создавать конечности животных, либо этот ген служил для создания каких-то отростков на теле древнего общего предка и эта функция гена была неоднократно использована на протяжении эволюции животных.

Между генами и структурами позвоночных и дрозофил было обнаружено еще много общего. Я приведу один пример. В верхней части тела дрозофилы располагается сердце, сокращение которого приводит к перекачиванию крови по телу. У мух незамкнутая система кровообращения, т.е. кровь, омывающая ткани, не заключена в сосуды. В нашем понимании их сердце мало напоминает сердце, но все же оно выполняет свою работу. Генетики обнаружили ген, необходимый для формирования сердца мухи, и назвали его tinman (в честь Железного дровосека, персонажа сказки "Волшебник из страны Оз", у которого не было сердца).

Неожиданностью стало обнаружение у млекопитающих нескольких версий гена tinman, скромно названных NK2. Выяснилось, что эти гены играют важную роль в формировании сердца позвоночных, включая нас с вами. Несмотря на значительные различия в анатомическом строении сердца и системы циркуляции крови, мухи и позвоночные используют для разметки и формирования своих сердец однотипные гены.

Нужно добавить еще кое-что. Белки из семейств Рах-6, Distal-less и Tinman у дрозофил, позвоночных и других животных содержат гомеодомены. Таким образом, все они являются ДНК-связывающими белками. Эти гомеодомены похожи на гомеодомены белков Hox, но не идентичны им. Теперь мы знаем, что существует около двух десятков семейств гомеодоменов. Белки Hox, Pax-6, Dll и Tinman относятся к четырем различным семействам. Белки Рах-6 различных животных похожи друг на друга больше, чем на белки из других семейств гомеодоменных белков. Аналогичным образом, белки Hox, Dll и Tinman также имеют больше сходства с членами своего семейства, чем с белками из других семейств. Различие между семействами гомеодоменов отражает разницу в их функциональной специфичности (они связываются с разными последовательностями ДНК). Поскольку все они связываются с ДНК и оказывают столь сильное влияние на развитие органов или конечностей, можно утверждать, что они регулируют включение и выключение генов, участвующих в развитии глаз, ног или сердец соответственно. Их значительное влияние на развитие организма связано с регуляцией активности большого количества генов, с действием на ранних этапах развития или и с тем и с другим (в любом случае, без них развития органа или части тела не происходит).

Пересматриваем эволюцию животных

Когда ученые открыли, что у насекомых, позвоночных и других животных один и тот же набор генов контролирует образование участков и частей тела с похожими функциями (но очень сильно различающимся строением), а также их форму, им пришлось полностью переосмыслить историю развития животных, происхождение различных структур и природу разнообразия животного мира. Те, кто работал в области сравнительной и эволюционной биологии, долгое время считали, что разные группы животных, разделенные длительным периодом эволюции, создавались и эволюционировали совершенно разными путями. Были хорошо известны связи между представителями некоторых групп, таких как позвоночные, или между позвоночными и другими хордовыми животными. Но сходство между мухами и людьми или плоскими червями и асцидиями! Разве это возможно? Такой взгляд на эволюционные различия был столь прочно укоренен, что эволюционный биолог (и один из создателей синтетической теории эволюции) Эрнст Майр в 1960-х гг. писал: "Многое из того, что мы узнали о физиологии генов, доказывает, что поиск гомологичных генов является довольно бесполезным занятием, за исключением самых близкородственных видов. Если определенное функциональное требование можно реализовать лишь одним эффективным способом, самые разные комплексы генов приведут к одному и тому же решению, вне зависимости от пути его достижения. Поговорка «Все дороги ведут в Рим» верна не только в быту, но и в эволюции".

Эта точка зрения оказалась в корне неверной. В своей основополагающей работе "Структура теории эволюции" (The Structure of Evolutionary Theory) Стивен Джей Гулд назвал открытие кластеров Hox-генов и универсальных генов, использующихся при построении тела всех животных, переворотом основ современного синтеза. Он писал: "В центре нашего забрезжившего понимания сути генетики развития находится не просто открытие чего-то абсолютно нового... а совершенно неожиданный характер этих находок и вызванная ими необходимость пересмотреть и расширить теорию эволюции".

Мало того, что гомологичные гены существуют (что уже противоречит предсказанию Майра), но вдобавок выясняется, что не так уж много дорог ведут в Рим (т.е. к формированию адаптаций в ходе эволюции). История с геном Рах-6 показывает, что формирование самых разных типов глаз шло по одному пути. Естественный отбор не создавал множество глаз совсем с нуля: в создании всех типов глаз используется один и тот же генетический элемент. То же касается создания конечностей, сердец и т.д. Эти общие генетические элементы должны быть очень древними, древнее позвоночных или членистоногих, и происходить от тех самых первых животных, которые впервые стали использовать эти гены для того, чтобы видеть, чувствовать, есть или передвигаться. Эти животные — отдаленные предки большинства современных видов, включая нас с вами. Я подробнее расскажу о них и об эволюции животных в шестой главе. Но сначала я должен рассказать о некоторых других генах из нашего набора и открыть вам новые, неожиданные эволюционные связи.

Что такое набор генов развития?

Hox-гены и гены, участвующие в построении глаз, конечностей и сердец, пожалуй, составляют наиболее известную десятку генов, контролирующих развитие, а между тем они только часть набора генов, необходимого для развития животных. В формировании тела плодовой мушки задействовано несколько сотен генов — это лишь небольшая доля от 13 676 генов, обнаруженных в ее геноме. Подавляющее большинство генов делают другую работу — они участвуют в выполнении рутинных и специализированных функций клеток дрозофилы.

Мы узнали о наборе генов развития с помощью того же самого подхода, который позволил открыть первые гены, участвующие в построении тела, а именно — с помощью анализа мутантов. В конце 1970-х и начале 1980-х гг. два генетика, Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус, приступили к идентификации всех генов, необходимых для того, чтобы построить личинку дрозофилы. Они обнаружили несколько десятков генов, которые нужны для закладки правильного количества и типа сегментов тела, гены, необходимые для формирования трех зародышевых листков, и еще большее количество генов, участвующих в создании более мелких деталей строения. Я потом кратко расскажу об этих генах, а сейчас лишь замечу, что работа Нюсляйн-Фольхард и Вишауса была столь систематической и тщательной, что им удалось идентифицировать большинство генов, которые, как мы теперь знаем, участвуют в формировании тела дрозофилы. Кроме того, "двойники" многих из этих генов присутствуют у позвоночных и других животных, и эти двойники были обнаружены во многом благодаря пионерским исследованиям дрозофилы. В 1995 году Нюсляйн-Фольхард, Вишаус и Эд Льюис получили Нобелевскую премию в области медицины и физиологии за свои исследования, определившие дальнейший путь развития эмбриологии и, впоследствии, эво-дево.

Наиболее удивительным и полезным свойством коллекции мутантов Нюсляйн-Фольхард и Вишауса было то, что все экземпляры имели серьезные, но очень специфические дефекты в разметке плана строения эмбриона. Например, некоторые мутанты были лишены целой группы сегментов тела, а другие имели лишь половину нормального количества сегментов. Это означало, что мутантные гены определяли создание основных анатомических модулей, из которых составлено тело насекомого. К третьей группе мутантов относились те, у кого по определенному правилу нарушалась полярность каждого сегмента, так что было ясно, что мутантные гены влияют на разметку структуры модулей. Во всех случаях, однако, развитие не останавливалось полностью: какие-то специфические процессы прекращались, но какие-то протекали нормально.

Рис. 3.7. Инструментальный набор развития. Разметку и сборку тел животных контролируют несколько разных классов белков — продуктов генов развития. Рисунок Джоша Клейса.

Теперь нам многое известно о генах из генетического набора инструментов. В основном, все гены этой группы управляют развитием организма, включая и выключая другие гены в процессе развития (рис. 3.7). Значительную часть этой группы составляют гены транскрипционных факторов — связывающихся с ДНК белков, которые напрямую включают и выключают транскрипцию генов, подобно мастер-генам, о которых я говорил выше. Другая часть генов из набора инструментов задействована в так называемых сигнальных путях. Клетки общаются друг с другом путем передачи сигналов в форме белков, которые выводятся из клетки и направляются от места синтеза к месту своего назначения. Затем эти белки связываются с рецепторами других клеток, где запускают каскад реакций, в числе которых изменение формы клетки, миграция, начало или прекращение деления клетки, а также активация или репрессия генов. Передача сигналов между группами клеток в значительной степени обеспечивает локальную разметку развивающихся структур. У дрозофилы сигнальных путей немного (всего около десяти), но в каждом из них задействовано множество компонентов — сигнальных белков, рецепторов и молекул-посредников. Все эти компоненты обеспечивают прохождение сигнала через все компартменты клетки — от мембраны через цитоплазму и в ядро. Мутация любого из этих компонентов может нарушить передачу сигнала и остановить процесс развития.

Биологи ухватились за идею о том, что гены, которые использует плодовая мушка, используются и другими животными. Поэтому всякий раз, обнаружив новый ген из набора генов развития дрозофилы, ученые начинали поиск его двойника у позвоночных. Это привело ко многим важным открытиям. Рассказом об одном из них я завершу эту главу.

От "ежей" к полидактилии, циклопам и раку

Нюсляйн-Фольхард и Вишаус коллекционировали мутантных личинок дрозофил с явными дефектами тела и давали генам, которые повлияли на их внешний вид, соответствующие названия. Это внесло в генетику дрозофилы особый колорит. Многие названия были немецкими, поскольку исследования проводились в Тюбингене. Поэтому в наборе генов развития есть гены с немецкими именами knirps (малыш), Kruppel (калека), spitz (острие), но и с английскими тоже — shavenbaby (бритое дитя), buttonhead (сферическая голова), faint little ball (бледный маленький шарик) и многие другие. Одним из любимцев генетиков был ген hedgehog (еж), названный так потому, что мутантная личинка была покрыта тонкими волосками и напоминала ежа (рис. 3.8). Молекула Hedgehog играет в организме дрозофилы очень важную роль, но ее известность возросла еще больше, когда несколько исследовательских групп обнаружили ген hedgehog у позвоночных.

Рис. 3.8. Кутикула нормальной личинки дрозофилы и мутанта hedgehog Тонкие волоски (дентикулы) мутантной личинки спутаны и находятся в беспорядке, так что напоминают иголки ежа (В), тогда как кутикула нормальной личинки характеризуется ровными поясками дентикул, соответствующими сегментам личинки, которые отстоят друг от друга на одинаковое расстояние (А). Фотографию предоставил Бенедикт Сэнсон, Кембриджский университет.

У позвоночных найдено три гена hedgehog, которые в поддержание установившейся в генетике дрозофил традиции получили названия Sonic hedgehog (в честь персонажа видеоигры), Desert hedgehog и Indian hedgehog (в честь настоящих животных). Первое потрясение ждало генетиков, когда Клифф Табин и его коллеги из Гарвардского университета стали изучать экспрессию гена Sonic hedgehog в развивающейся конечности цыпленка и обнаружили, что он включается только на заднем конце почки конечности. Эта область по локализации практически совпадала с зоной поляризующей активности Сондерса, описанной им несколько десятков лет назад, в ходе экспериментов с трансплантацией. Чтобы проверить возможное действие Sonic hedgehog в ЗПА исследователи разными путями вызывали экспрессию этого гена в других участках почки конечности. И в результате они получили тот же самый набор случаев полидактилии, что и Сондерс: последовательность дополнительных пальцев всегда имела обратную полярность по отношению к нормальной. Зона экспрессии Sonic hedgehog была не просто частью ЗПА; активность ЗПА полностью зависела от экспрессии Sonic hedgehog. Более того, ген Sonic hedgehog фигурирует не только в истории с цыпленком.

Помните описание людей с полидактилией? Теперь известно, что определенный тип полидактилии вызван мутацией, нарушающей экспрессию Sonic hedgehog в ходе эмбрионального развития конечностей человека. Это не просто красивая иллюстрация гомологичности конечностей позвоночных, но и потрясающий пример того, как открытия, сделанные при изучении дрозофилы, помогают развитию медицинской генетики.

Но это еще не все.

Помните овцу-циклопа (по-моему, эту картину забыть нельзя) и историю про тератоген циклопамин? Теперь мы понимаем, что циклопамин является ингибитором сигнального пути с участием Sonic hedgehog у млекопитающих. Он блокирует часть рецептора, так что клетки, которые должны отреагировать на сигнал белка Sonic hedgehog, не могут этого сделать. Еще один регион эмбриона позвоночных, в развитии которого данный сигнальный путь играет важную роль, — вентральная средняя линия. Сигналы от клеток вентральной средней линии играют критическую роль в подразделении вышележащих тканей на левое и правое глазные поля и левое и правое полушария головного мозга. Если беременная овца в определенный момент подвергается воздействию циклопамина, нормальное течение процесса развития останавливается и рождается циклоп. Человеческие эмбрионы не подвергаются действию циклопамина, но, возможно, аналогичное действие оказывает этиловый спирт. Алкогольный синдром плода является проявлением отравления алкоголем на критическом сроке беременности, приводящим к голопроэнцефалии. Мутации, нарушающие активность гена Sonic hedgehog или других компонентов этого сигнального пути, тоже могут приводить к циклопии.

Врожденные дефекты — это один пример последствий поломки генов из набора генов развития. Другой пример — рак. Опухоли возникают тогда, когда клетки выходят из-под контроля внутренних и внешних ограничителей, а это может быть вызвано нарушением ответа на клеточный сигнал. Подходящий пример — базальноклеточная карцинома, наиболее распространенный тип рака кожи, особенно на лице и на шее у людей, долгое время находившихся на солнце. Во многих случаях клетки этой опухоли имеют мутацию рецептора Sonic hedgehog. Эта мутация приводит к слишком высокой активности данного сигнального пути. Поэтому один из химиотерапевтических подходов к лечению этого типа рака может заключаться в использовании ингибиторов сигнального пути, включая (догадались?) циклопамин. Вот такое научное путешествие от мертворожденных ягнят к растительным токсинам и противоопухолевой терапии человека. Некоторые виды опухолей головного мозга и поджелудочной железы теперь тоже пытаются лечить с помощью веществ, влияющих на сигнальный путь с участием гена hedgehog, поскольку такие опухоли связаны с мутациями этого пути.

Я очень сомневаюсь, что когда в конце 1970-х гг. Нюсляйн-Фольхард и Вишаус начинали изучать мутантов дрозофилы, они думали о том, что их результаты помогут понять суть полидактилии, циклопии или рака. Однако значение открытия генетического набора инструментов у дрозофилы оказалось намного шире, чем кто-либо мог предполагать. И сегодня, когда мы глубже понимаем наше генетическое родство, биологи и медики привычно используют дрозофил и других "низших" животных для изучения человеческих заболеваний.

Парадокс набора генов развития и истоки биоразнообразия

Открытие общего набора генов развития у разных животных заставляет нас по-иному взглянуть на эволюцию биоразнообразия. Нам многое известно об этих генах у самых разных животных. Мы знаем, что эти гены очень древние и существовали уже до того, как возникло большинство типов животных. Кроме того, мы знаем полные нуклеотидные последовательности геномов дрозофилы, нематоды, мыши, человека, рыбы и некоторых других животных. Сравнительный анализ геномов показывает не только то, что человек имеет множество общих генов развития с дрозофилой, но и то, что с мышью у нас практически идентичный общий набор из 29 000 генов, а с шимпанзе на генетическом уровне мы совпадаем на 99%. Наличие общего набора генов развития и высокая степень генетического сходства разных видов животных представляют собой очевидный парадокс. Если набор генов развития совпадает у самых разных видов, то откуда взялись различия? Как при использовании одинаковых Hox-генов появилось такое невероятное разнообразие членистоногих? Как возникли различия между всеми млекопитающими, или между приматами, или между приматами и человеком? Чтобы понять, как с помощью одинаковых генов формируется разное анатомическое строение, нужно сначала понять, как происходит сборка одного конкретного животного. Это длинный рассказ, который станет темой двух последующих глав.

Развитие лягушки. Из книги A. Ecker, Icones Physiobgicae: Erlduterungstafeln (1851-1859).

В Колорадо глубокая ночь. Весна. В лаборатории мертвая тишина. Я в миллионный раз за последние полтора года повторяю одну и ту же процедуру. Искупав сотни крошечных белых эмбрионов дрозофилы в только что приготовленном растворе антител, я начинаю нервничать. Руководитель лаборатории Мэтью Скотт еще не в курсе, но я-то знаю, что это наша последняя попытка. Я больше не могу придумать, как выполнить этот эксперимент. У меня больше нет в запасе никаких трюков, и если и на сей раз ничего не получится, значит, мы напрасно трудились полтора года. Эмбрионы на стекле напоминают зернышки риса. Я направляю на них луч голубоватого света. Великий боже! Чудесные малютки "окольцованы" зелеными полосками! Нужно звонить шефу и бежать за выпивкой. Работа продолжается.

Вернуть цыпленка

Я рассказал о наборе генов, необходимых для развития, и о том, что открытию этого набора помогло исследование удивительных мутантов с аномальным количеством частей тела, их отсутствием или неправильным расположением. К счастью, в большинстве случаев природа все делает правильно и мухи и дети рождаются с нужным количеством частей тела в нужных местах. Но как это происходит? Каким образом эти удивительные гены превращают простую яйцеклетку в сложное животное?

Так называемый редукционистский подход в биологии заключается в изучении процессов жизнедеятельности на молекулярном уровне, для чего приходится "редуцировать" процессы и структуры до их молекулярных компонентов. Этот подход в последние пятьдесят лет использовался чрезвычайно успешно и позволил установить механизмы наследования, выявить причины многих заболеваний и создать новую медицинскую и диагностическую индустрию. Недостаток редукционистского подхода заключается в том, что многие биологические системы, такие как клетки, отдельные особи, популяции и сообщества, организованы на надмолекулярном уровне, так что знание составляющих их молекул не объясняет всех свойств этих систем. Точно так же, как знание того, что компьютер сделан из полупроводников, сверхпроводников и полимеров, не дает представления о том, как он устроен и работает, знакомство с генетическим набором инструментов не позволяет полностью воссоздать картину развития живого организма.

Эта ситуация напоминает ранний период эмбриологических исследований, когда эмбриологи изолировали с помощью "грубой силы" определенные популяции клеток, пытаясь понять, как они складываются в ткани и органы в процессе развития. Однажды Пол Вейс[5] проиллюстрировал знакомым эмбриологам однобокость редукционистского подхода. Он показал им фотографию целого куриного эмбриона, затем фотографию эмбриона, обработанного блендером, и, наконец, фотографию эмбриона, чьи перемолотые компоненты были собраны в одно целое путем центрифугирования. Вейс предельно четко обозначил проблему редукционизма: как собрать цыпленка обратно?

Набор генов развития — это лишь часть генетического багажа, небольшая доля из 13 700 генов у дрозофилы или 25 000 генов у млекопитающих. Действительно, мы нашли очень важные для сборки организма элементы, но как собрать из них цыпленка? Или хотя бы муху? Представьте себе, что вы купили новую игру или прибор, а в коробке обнаружили только пакетики с разрозненными деталями и инструкцию, состоящую из двух слов: "требуется сборка". В предыдущей главе я рассказывал о том, как благодаря анализу мутантных животных биологи смогли обнаружить ключевые гены развития. В этой главе мы пойдем в обратном направлении и попытаемся найти путь от генов к целым животным.

"Прозреть" нам с вами помогут карты. В книге "Карта следующего тысячелетия: Открытие новой географии" (Mapping the Next Millenium: The Discovery of New Geographies) писатель Стивен С. Холл говорит о том, что составление карт — один из первых этапов любого научного исследования. Все естествоиспытатели и ученые, начиная от великих путешественников пятнадцатого и шестнадцатого столетий и заканчивая современными астрономами, физиками и океанографами, стремились измерить и затем изобразить Землю, Вселенную и океаны так, чтобы эти изображения были как можно более информативными и привлекательными. Эмбрион животного — это своего рода маленький мир, чья будущая топология размечена активностью генов развития. Холл употребил подходящую метафору, сказав, что изучение "географии" яйца является центральной темой в биологии и что для этого нам понадобятся новые карты.

В исследованиях любого рода — от изучения космического пространства до погружения в глубины живого организма — появление новых приборов и технологий всегда играло решающую роль. В эмбриологии открытие набора генов развития не просто позволило идентифицировать гены, необходимые для построения организма, но сделало доступным новый способ наблюдения за развитием. Делая видимой работу генов в развивающемся эмбрионе (это те самые зеленые кольца, которые я впервые увидел ночью в Колорадо), мы можем увидеть расположение и форму структур задолго до того, как они сформируются на самом деле. Визуализация генов развития в эмбрионе создает яркую и динамичную карту географии развивающегося организма. На этой карте хорошо видно, как благодаря работе генов развития из простого яйца постепенно формируются сложные животные и сколько в этом процессе логики и порядка.

Первые карты

Процесс развития — от малюсенького яйца до сложного животного — невероятно драматичен. Лягушачья икринка превращается в головастика всего за несколько дней, и важнейшие события на этом пути занимают считанные часы или даже минуты (рис. 4.1). Через час после оплодотворения икринка (всего лишь крупная клетка) разделяется надвое, давая начало двум новым клеткам. Вскоре после этого происходит следующее деление, в перпендикулярном направлении к предыдущему, и у нас уже четыре клетки. Клеток становится 8, 16, 32, и этот процесс продолжается, формируя шар, где клетки образуют оболочку сферы. Затем, всего через девять часов после оплодотворения, начинается удивительная серия морфогенетических движений — гаструляция. В ходе этого процесса образуются внутренний (эндодерма), средний (мезодерма) и внешний (эктодерма) слои эмбриона, из которых постепенно формируются ткани и органы (кожа, мышцы, кишечник и др.). В ходе гаструляции формируется впячивание, благодаря которому клетки, расположенные на поверхности эмбриона, проникают внутрь. Всего через полдня после оплодотворения у эмбриона уже дифференцированы три основных слоя ткани (три зародышевых листка).

Рис. 4.1. Развитие головастика лягушки. Показано постепенное развитие эмбриона, начиная от первого деления яйцеклетки (а), формирования бластулы (с), внутренних зародышевых листков (d, e), нервной системы и сомитов (f-i) и заканчивая формированием глаз и их пигментацией (h-l). Изображения предоставлены Уиллом Грэмом и Барбарой Лом, Колледж Дэвидсона.

На следующих стадиях развития эти три зародышевых листка подразделяются на поля, в границах которых будут формироваться различные структуры. На спинной поверхности эмбриона начинается серия удивительных морфогенезов, в результате которых формируется нервная трубка — зачаток будущего головного и спинного мозга. Проходит лишь один день развития, и вот уже складки и выпуклости обозначают места, где позднее возникнут голова, глаза и хвост. Начинают формироваться органы головастика и его конечности. На второй день формируется спинной плавник, происходит пигментация глаз, появляется сердце и кровеносная система, а в начале третьего дня уже видны эритроциты. Пока происходит формирование органов и конечностей, свободноплавающий головастик может жить только в воде, но потом его хвост исчезает и он принимает форму взрослого животного.

Формирование личинки дрозофилы — тоже стремительный процесс (рис. 4.2). Удлиненное яйцо дрозофилы имеет в начале развития всего одно оплодотворенное ядро, но уже через несколько часов около 6000 клеток формируют плотный эпителиальный пласт вокруг внутреннего желтка. Потом происходит гаструляция с образованием внутреннего, среднего и внешнего зародышевых листков. Туловище эмбриона начинает удлиняться, на нем появляются складки, быстро намечающие границы сегментов. В этом эмбрионе, который существует всего полдня, формируются различные органы личинки и особые группы клеток, из которых потом разовьются структуры взрослого насекомого. Всего через день после оплодотворения из яйца выводится прожорливая подвижная личинка. Это животное быстро растет, дважды линяет, образует куколку, а через девять дней становится взрослой мухой.

Рис. 4.2. Развитие эмбриона мухи и ее жизненный цикл. Вверху: электронные микрофотографии эмбриона, отражающие образование внутренних зародышевых листков эмбриона (a-d) и формирование сегментов тела (e-h). Стадии, показанные на фотографиях a-h, проходят меньше чем за 12 ч. Внизу: эмбрион превращается в личинку, несколько раз линяет и превращается в куколку; через несколько дней из куколки вылупляется взрослое насекомое. Фотографии предоставлены Руди Тернером, Университет Индианы; рисунки Лианн Олдс.

Эмбрионы и личинки лягушек и мух — легкая добыча для хищников. Высокая скорость развития должна обеспечить их выживание, ведь из сотен яиц, отложенных самкой, лишь несколько достигает стадии взрослого животного. Экология человека совершенно другая — наше развитие происходит в условиях максимальной безопасности и протекает, по крайней мере поначалу, гораздо медленнее. Первые деления оплодотворенной человеческой яйцеклетки происходят примерно каждые двадцать часов, так что создание 32-клеточно-го эмбриона человека занимает приблизительно столько же времени, сколько все развитие головастика. Гаструляция у человека начинается примерно на тринадцатый день, а область головы приобретает видимые очертания примерно через три недели. Вдоль спины образуются парные выпуклости, что говорит о том, что мы наблюдаем развитие позвоночного животного (эти сомиты дадут начало позвонкам, прилегающим к ним мышцам и коже). Длина эмбриона в этот момент всего около 2,5 мм, а до рождения человека остается еще восемь (долгих!) месяцев.

Наблюдая за развитием эмбриона, мы задаем очевидные вопросы. Откуда эмбрион знает, где должен быть хвост, а где голова? Или спина и брюхо? Как он определяет, куда поместить глаза, ноги или крылья? Если мы заглянем чуть дальше в будущее оплодотворенного яйца, то нас заинтересует и то, как образуются мышцы, нервы, кровь, кости, кожа, печень и т.д. В какой момент в ходе развития эмбриона решается судьба клеток?

Пионеры в области эмбриологии пытались найти ответы на подобные захватывающие вопросы с помощью простейших экспериментальных методов. Из практических соображений они использовали эмбрионы таких животных, которые легко доступны, с которыми легко работать и за развитием которых удобно наблюдать. Обычно это были водные животные, такие как морские ежи или амфибии, яйца которых при определенных условиях развиваются очень быстро. Среди первых вопросов, которые задавали себе эмбриологи, был следующий: какие структуры формируются из различных участков раннего эмбриона? Ученые придумывали разные способы, чтобы получить ответ, но самый прямой путь заключался в том, чтобы пометить отдельные клетки безопасным химическим красителем и посмотреть, где эти клетки и их потомство окажутся потом. Такие эксперименты позволили эмбриологам создать карты (так называемые карты презумптивных зачатков, или "карты судьбы") эмбрионов на ранней стадии развития, где было видно относительное расположение клеток, дающих начало определенным структурам.

На основании подобных экспериментов были составлены атласы развития эмбрионов многих видов животных. Аналогично параллелям и меридианам на глобусе, координаты на картах эмбрионов указывают расположение будущих тканей, органов и конечностей. На рис. 4.3 показаны карты эмбрионов лягушки и мухи (способ изображения разный, но идея одна и та же). Карта эмбриона лягушки показывает, что кожа, нервная система, элементы крови, сердце и кишечник образуются из клеток, расположенных на определенной широте и долготе эмбриона (т.е. имеющих определенные географические координаты).

Рис. 4.3. "Карты судьбы" ранних эмбрионов лягушки и мухи. Обозначены участки эмбриона, из которых позднее образуются соответствующие части тела. Рисунок Лианн Олдс.

Эмбрион мухи отличается по форме от эмбриона лягушки: он вытянутый и напоминает мяч для регби или американского футбола. Но различные части тела будущего животного точно так же появляются из скрытых меток на карте. Мы видим, что структуры, которые сформируются в разных местах вдоль оси тела животного, возникают из соответствующих участков, расположенных вдоль оси раннего эмбриона.

География эмбриона

Карты зачатков показывают, что, начиная с какой-то стадии развития, клетки "знают", в какой части эмбриона они находятся и к каким тканям или структурам относятся. Если продолжать аналогию с географической картой, клетки, ткани и органы имеют специфические координаты на карте эмбриона, описываемые широтой, долготой, а также высотой и глубиной (координатами над и под поверхностью тела эмбриона). Кроме того, они различаются "национальной принадлежностью" (нервные клетки, клетки печени и т.д.). Однако все клетки эмбриона происходят из единственной оплодотворенной яйцеклетки. Поэтому очевидно, что весь этот набор информации должен формироваться когда-то в процессе развития эмбриона и обеспечить уникальный адрес десятку типов клеток, тканей и органов эмбриона. Как клетки "узнают" свой адрес и понимают, кто они? Это результат коллективной работы генов развития. В порядке их действий существует понятная логика, обеспечивающая последовательную детализацию структур.

Прежде чем я покажу наглядно, как именно работают эти гены, я проиллюстрирую общую логику географии эмбриона (рис. 4.4). Внимательно рассмотрите этот рисунок, прежде чем продолжите читать. Здесь эмбрион изображен в виде глобусов с постепенно уточняющимися координатами.

А теперь давайте посмотрим, как гены развития это делают.

Форма будущих существ: гены развития рисуют полосы, линии, пятна, точки и загогулины

Структура координатной системы эмбриона с ее пересекающимися линиями параллелей и меридианов задает определенный пространственный порядок, в соответствии с которым разворачивается программа работы генов развития. Эту геометрию также отражают физические контуры развивающегося эмбриона, у которого есть углубления, бугорки и сферические выпуклости. Скопления клеток, образующих основные подотделы эмбриона, то есть места расположения развивающихся органов или иных специализированных структур, поначалу часто размечаются простыми геометрическими символами (в виде полос, линий, пятен, точек или кривых), соответствующими участкам экспрессии генов. Фрэнсис Крик, который вместе с Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом получил Нобелевскую премию за открытие структуры ДНК, как-то заметил, что "эмбрионы любят полоски". Это правда. Но эти полоски и другие рисунки — нечто большее, нежели просто приятная глазу картина, на которой мы видим гены развития за работой. Это отражение основных операций, с помощью которых из простого геометрического узора поэтапно создается сложная архитектура животного.

Идет ли речь о крошечной дрозофиле или крупном млекопитающем, общая логика работы генов развития по организации, разделению и спецификации отдельных частей эмбриона становится ясна, если сделать эту работу видимой. Когда на наших глазах каждый ген участвует в создании географии эмбриона, нам проще воспринять весь процесс в целом как результат деятельности множества отдельных операторов. Животное со сложным строением — результат одновременной и последовательной работы различных генов в ходе развития. Я не смогу в одной главе показать полностью, во всех подробностях процесс развития животного на генном уровне. Но мне кажется, в этом и нет необходимости. Я собираюсь описать развитие несколькими крупными мазками. Фокусируясь на этапах, в ходе которых формируются основные признаки животных, мы достаточно живо сможем представить себе, как закладывается будущая форма животного. Приведенные в книге цветные вкладки, иллюстрирующие этот процесс, — лишь малая часть из десятков тысяч фотографий, сделанных исследователями за последние двадцать лет. Это эмбриологический эквивалент спутниковых фотографий Земли. Начнем с географии эмбриона дрозофилы.

Сборка мухи

Сборка позвоночных животных

Сложное из простого: наблюдаем невидимое

Франсуа Жакоб заметил, что любое объяснение, будь оно мифологическим, магическим или научным, основано на одном и том же принципе. Говоря словами Жана Перрена, люди всегда пытаются "объяснить сложное видимое через что-то простое невидимое". Я бы возразил, что революция в нашем представлении о развитии животных стала возможна по той причине, что мы смогли сделать еще один шаг — мы сделали "простое невидимое" видимым. Возможность видеть полосы, пятна, линии и другие рисунки, которые соответствуют зонам экспрессии генов развития и в точности предсказывают будущее положение и форму сегментов, органов и других частей эмбриона, подарила нам много открытий, сделавших роль генов в процессах развития кристально ясной. Полосы, ограничивающие будущие сегменты, пятна, соответствующие зонам организующей активности, а также другие рисунки, отмечающие положение костей, суставов, мышц, органов, конечностей и др., — все это связывает невидимые гены с созданием видимой формы.

Более того, ставший видимым порядок действия генов развития животных оказался абсолютно логичным. Как при строительстве зданий, где есть определенная последовательность работ (закладка фундамента, возведение несущих стен и балок, укладка полов, размещение основных труб, проводов и перегородок), так и при сборке животного сначала выстраивается общий план и лишь в конце прорабатываются детали. Логика этого процесса объясняет, как мутации генов развития могут привести к появлению ужасных монстров. Если какая-то стадия работы пропущена, все зависящие от нее стадии протекают не так, как положено.

Я уже говорил, что функции отдельных генов развития легко понять, если проследить за их работой, и привел множество простых примеров. Однако создание целого животного — это действительно сложный процесс. Эта сложность является результатом одновременного и последовательного действия многих генов развития — десятков генов, работающих в одном и том же месте в одно и то же время, значительно большего числа генов, действующих в одно и то же время в разных местах, и сотен генов, действующих последовательно по ходу развития эмбриона. Именно цепи параллельных и последовательных операций позволяют создать сложный организм.

Теперь, когда вы пристально рассмотрели работу генов развития, имеет смысл задуматься о цепочках, которые образуют работающие гены. Как отдельные звенья цепи связаны между собой? Откуда гены узнают о том, в каком порядке, где и когда им следует включаться?

В создании животного принимает участие еще одна группа генетических невидимок — маленьких ДНК-устройств, определяющих время и место активации генов. В следующей главе я расскажу об этих удивительных маленьких устройствах в геноме, которые определяют изумительный рисунок экспрессии генов, связывают между собой цепи генов развития и обеспечивают сложность и разнообразие строения животных.

Темная материя Вселенной и генома. Вверху: фотография галактического кластера CL0024+1654; темная материя выглядит как мутное пятно в центре снимка. Внизу: микрочип, содержащий геномную ДНК дрозофилы; светлые пятна соответствуют ДНК, кодирующей различные гены, темные пятна соответствуют некодирующей ДНК. Верхняя фотография предоставлена Европейским космическим агентством, NASA и Жан-Полем Крейбом (обсерватории Миди-Пиренеи (Франция)/Калтех (США)). Нижняя фотография предоставлена Томом Джинджерсом и компанией Affymetrix.

Представьте себе на минуточку процесс развития с позиции эмбриона: какая именно работа стоит за всеми клеточными делениями и перемещениями, за созданием зародышевых листков, сегментов и частей тела. Мы только что увидели логические стадии процесса развития, но где инструкции для выполнения каждой стадии? Почему широкие полоски образуются раньше узких, а положение одних костей определяется раньше положения других? И почему одни кости длинные и тонкие, а другие короткие и толстые? Откуда гены развития знают, где и когда им следует включаться, чтобы сформировать эмбрион? Где хранятся инструкции по работе генов развития?

Чтобы ответить на эти вопросы, я вынужден сделать два опасных шага. Во-первых, в поисках аналогии я обращусь к космологии. Риск заключается в том, что я очень мало знаю об исследованиях Вселенной, но все же мне ясно, что в устройстве Вселенной и устройстве генома есть нечто общее. Во-вторых, затем мне придется соединить эту аналогию еще с одной. Оправданием для такой авторской вольности является то, что в этой главе содержится наиболее сложная, но при этом и наиболее важная в концептуальном смысле информация. Так что потерпите, пожалуйста.

На протяжении большей части своей истории астрономия имела дело только с тем, что можно было разглядеть в небе — сначала невооруженным глазом, потом — с помощью все более сложных телескопов. Как правило, мы все лучше и лучше понимаем то, что видим (образование звезд, структуру галактик и коллапсирование солнц), но совсем недавно астрономы осознали, что лишь малая доля материи Вселенной видима (то есть излучает свет или другие волны). Поведение некоторых видимых объектов, таких как галактики, определяется влиянием более обширной, невидимой "темной материи" и "темной энергии".

Аналогия с генетикой состоит в том, что на протяжении десятилетий, благодаря простоте генетического кода, мы могли видеть в геноме только "звезды" и знали, в каком месте генома закодирован тот или иной ген. Но теперь и мы осознали, что в геномах большинства животных на долю генов, которые мы видим, приходится лишь малая часть ДНК. Преобладающая часть ДНК представляет собой последовательности, в которых не закодировано никаких генов и функцию которых нельзя определить просто путем прочтения их нуклеотидной последовательности. Это "темная материя" генома. Точно так же, как темная материя во Вселенной управляет поведением видимых тел, так и темная материя генома контролирует время и место использования конкретных генов.

Эта глава целиком посвящена темной материи в ДНК, а также тому, как она дает инструкции для работы генов развития, обеспечивающие разметку и формирование частей тела. Эти инструкции встроены в темную материю ДНК в виде генных переключателей (моя вторая аналогия). Возможно, раньше вы никогда о них не слышали. Ни в научной среде, ни в прессе они не вызвали того интереса, которого заслуживают. Но дело, скорее всего, не в их значении, а в том, как трудно их обнаружить и понять, как они работают. Лишь сравнительно недавно молекулярные биологи смогли заглянуть в темноту и исследовать расположение и функции переключателей. Самое удивительное и важное свойство генных переключателей — это способность контролировать наиболее тонкие моменты в работе отдельных генов развития. Анатомия тел животных в буквальном смысле закодирована и выстраивается — кусочек за кусочком, полоска за полоской, косточка за косточкой — созвездиями переключателей, распределенными по всему геному.

Переключатели — главные действующие лица в обоих обсуждаемых нами процессах, в развитии и в эволюции. Именно переключатели создают удивительные картины экспрессии генов, о которых мы говорили в предыдущей главе. Переключатели содержат уникальные для каждого вида животного инструкции, позволяющие создавать разных животных с помощью одного и того же набора генов развития. Недаром эти "горячие точки" эволюции так восхищали Киплинга — ведь именно переключатели создали пятна, полосы, горбы и прочее. Отчасти программисты, отчасти художники, эти фантастические устройства переводят географию эмбриона на язык генетических инструкций для создания трехмерной формы.

Вглядываемся в темноту

В космологии, биологии, а также в других науках существование отдельных элементов определяют либо напрямую — путем наблюдения, либо косвенно — путем изучения влияния этих элементов на другие, которые легче увидеть или измерить. Все доказательства существования темной материи во Вселенной являются косвенными и основаны на измерении скоростей движения и вращения галактик. Из этих данных ученые заключили, что внутри галактик должна существовать некая значительная масса, которую нельзя увидеть. Астрономы и физики до сих пор не знают точно, из чего состоит эта темная материя.

Исследования темной материи генома продвинулись гораздо дальше, поскольку мы знаем, из чего она состоит (из ДНК), и можем выделить ее и изучить ее свойства прямыми и косвенными методами. Один из наиболее мощных методов изучения некодирующей "темной" ДНК заключается в том, чтобы присоединить ее фрагмент к какому-либо гену, за которым легко наблюдать (например, к гену фермента, участвующего в цветной реакции, или гену флуоресцентного белка, видимого в луче света). Если включить эту конструкцию обратно в геном, а затем проанализировать цветную картинку, полученную с помощью микроскопа, можно понять, какого рода инструкции содержатся в этом фрагменте темной материи (новое пятно здесь, новая полоса там и т.д.). Однако основная часть темной материи ДНК не содержит никаких инструкций, а представляет собой просто "мусорную" ДНК, накопившуюся в процессе эволюции. У человека лишь 2-3% темной материи содержат генетические переключатели, контролирующие работу генов. Вся эта глава будет посвящена тому, каким образом генные переключатели контролируют развитие животных, а в оставшейся части книги мы в основном поговорим о том, как изменения переключателей влияют на ход эволюции.

Принцип устройства генных переключателей я объяснил в третьей главе на примере генетической системы, позволяющей клеткам Е. coli утилизировать лактозу. Вспомните, что у этой бактерии синтез ферментов, необходимых для расщепления лактозы, контролируется генным переключателем. Переключатель состоит из последовательности ДНК, расположенной непосредственно перед последовательностями генов, кодирующих эти ферменты. Когда лактозы нет, белок lac-репрессор связывается со специфической последовательностью переключателя и предотвращает транскрипцию. Когда появляется лактоза, репрессор отсоединяется от переключателя, позволяя включиться гену, продукт которого отвечает за расщепление лактозы.

У животных генные переключатели устроены несколько сложнее: они представляют собой более протяженные последовательности ДНК, способные к связыванию с большим количеством разнообразных белков. Некоторые из этих белков активируют транскрипцию, другие ее подавляют. Переключатели "обрабатывают" сигналы от множества белков и трансформируют их в более простую команду, которую мы наблюдаем в виде трехмерной картины экспрессии генов, такой как полосы и пятна, описанные в предыдущей главе. Важно, что один и тот же ген может регулироваться несколькими переключателями, что позволяет использовать этот ген в разное время и в разных местах, например, при формировании сердца, глаз и пальцев (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Генные переключатели контролируют использование генов в тканях организма. Экспрессия данного гена в сердце, глазах и пальцах рук контролируется независимыми переключателями. Для генов развития характерно наличие множества переключателей, активирующихся при формировании разных частей тела. Рисунок Лианн Олдс.

Существование переключателей расширяет наши представления о том, как работают гены. Говоря о генах, биологи обычно подразумевают исключительно последовательность ДНК, кодирующую белок, который, в свою очередь, совершает работу в клетках. Переключатели ничего не кодируют, они только регулируют процессы на уровне ДНК. Но гену для выполнения своих обычных функций необходима информация, поступающая от всех его переключателей. Таким образом, ген, имеющий три переключателя, состоит из четырех отдельных частей — одна кодирующая и три регуляторные (рис. 5.1). Мутации отдельных переключателей могут приводить к серьезным последствиям на уровне анатомии организма. Я буду по-прежнему использовать слово "ген" в его обычном смысле, подразумевая кодирующую последовательность, и всегда буду уточнять, если речь пойдет о переключателях.

Переключатели в роли GPS-интеграторов

Мы с вами увидели, что гены развития активируются в строго определенных точках в трехмерной координатной системе эмбриона. Но как пространственные координаты эмбриона передаются генам в виде инструкций, заставляющих их включиться или выключиться в определенный момент? Генные переключатели действуют подобно устройствам глобальной системы позиционирования (Global Positioning System, GPS). Подобно тому, как GPS-локатор на корабле, в машине или в самолете определяет местонахождение объекта путем интеграции множества сигналов, генный переключатель интегрирует позиционную информацию о координатах широты, долготы, высоты и глубины эмбриона, а затем указывает место, где ген должен включиться или выключиться. Я продемонстрирую принцип работы переключателей на нескольких примерах. Эти примеры следует воспринимать лишь в качестве фрагментов общей картины развития животных. В общем сценарии участвуют десятки тысяч переключателей, действующих одновременно и по очереди. Но мы не будем пытаться описать всю картину целиком; для нас главное понять логику и специфику механизма действия переключателей.

Основная функция переключателя состоит в превращении существующей картины активности генов в другую, новую картину активности генов. Одна из лучших иллюстраций того, как работают генетические переключатели, — процесс спецификации меридиональных полос экспрессии генов вдоль оси восток — запад у эмбриона дрозофилы. На ранних этапах развития эмбриона широкие полосы, состоящие из 15-25 клеток, экспрессируют белки — продукты определенных генов развития — в определенных областях вдоль оси тела. Белковый продукт каждого гена связывается со специфической последовательностью ДНК, обычно длиной в 6-9 пар оснований. Узнавание белком специфической последовательности ДНК происходит примерно так же, как ключ "узнает" свой замок. В данном случае роль замка играет специфическая последовательность ДНК. Такие последовательности называют "сигнатурными" (от англ. signature — подпись), поскольку белковому продукту каждого гена развития соответствует своя характерная последовательность. Переключатели, контролирующие определенные гены, содержат копии определенных сигнатурных последовательностей. Благодаря этому переключатели связываются с соответствующими белками, но только в ядрах тех клеток, которые находятся в координатах эмбриона, где производятся такие белки. В примере на рис. 5.2 белок А экспрессируется в диапазоне от 20 до 60° восточной долготы (в.д.), белок В — от 40 до 60° в.д., а белок С — от 30° в.д. до 30° западной долготы (з.д.). Белок А является активатором гена X, а белки В и С — его репрессоры. В соответствии с общим правилом, репрессор подавляет действие активаторов, и ген выключается. Переключатель гена Х содержит участки связывания белков А, В и С. В разных точках вдоль оси эмбриона эти участки связывания заняты разными комбинациями белков.

Рис. 5.2. Переключатели интегрируют множество сигналов, трансформируя их в полосу экспрессии гена. Активатор (А) и репрессоры (В и С) экспрессируются в разных координатах; суммарным итогом действия переключателя является узкая полоса экспрессии. Рисунок Джоша Клейса.

В клетках, расположенных в диапазоне от 90 до 60° з.д., ни один из этих белков не связан с переключателем, так что ген выключен. В клетках, расположенных между 60 и 40⁰ з.д., с переключателями связаны белки А и В, так что ген выключен. В клетках между 40 и 30° з.д. с переключателем связан только белок А, и поэтому ген включен. Наконец, в клетках между о и 30° в.д. с переключателем связан только белок С, и ген выключен. После обработки этих трех "меридиональных" сигналов переключатель разрешает гену включиться только в узкой полосе клеток шириной 10°, так что три широкие полосы возможной экспрессии гена в реальности сводятся к одной узкой полоске. Положение этой полоски определяется не только разрешающим сигналом "включить с 30 до 40° з.д.", но и ограничивающими сигналами "выключить" с двух сторон.

Вы можете спросить, откуда берутся указания для экспрессии самих генов A, B и C Хороший вопрос. Экспрессия этих генов, в свою очередь, также контролируется переключателями в генах А, 8 и С соответственно, которые интегрируют сигналы белковых продуктов других генов, появляющихся на более ранних стадиях развития эмбриона. А откуда берутся эти сигналы? Из еще более ранних сигналов. Я понимаю, что это напоминает старую загадку про курицу и яйцо. Но в конечном итоге вся пространственная информация в эмбрионе берет свое начало от молекул, асимметрично распределенных в яйцеклетке, которые закладываются в нее во время ее формирования в яичнике. С этого асимметричного распределения молекул и начинают формироваться две основные оси эмбриона (так что яйцо все же появляется раньше курицы). Я не собираюсь сейчас описывать эти этапы развития. Сейчас нам с вами важно понять, что действие каждого переключателя основано на предыдущих событиях и что, включая зависимый от него ген, переключатель инициирует следующие этапы развития.

В принципе переключатели могут обрабатывать любую комбинацию сигналов широты, долготы, высоты и глубины. На рис. 5.3 представлен пример переключателя, интегрирующего сигналы, поступающие от разных осей. Таким образом происходит позиционирование конечностей в развивающемся эмбрионе дрозофилы. Переключатель гена Distal-less, принимающего участие в формировании конечностей, интегрирует сигналы по широте и долготе и запускает экспрессию гена Dll в нескольких точках, расположенных вдоль основной оси эмбриона. К переключателю поступают сигналы в виде белковых продуктов нескольких уже экспрессирующихся генов развития. Один белок-активатор формирует полосы через каждые 15⁰ вдоль оси восток — запад, но только в южном "полушарии" (0-90⁰ ю.ш.). Два разных репрессора экспрессируются в диапазоне от 30 до 90⁰ ю.ш. и во всем восточном "полушарии" соответственно. Интеграция и обработка этих трех сигналов приводит к тому, что ген Dll экспрессируется в небольших кластерах клеток, располагающихся на 90, 75, 60, 45, 30 и 15° з.д. и 0-30° ю.ш.

Рис. 5.3. Интеграция сигналов с разной широты и долготы определяет координаты кластеров клеток, с которых начинается формирование конечностей. Рисунок Джоша Клейса.

Физическая целостность переключателей играет очень важную роль в развитии. Если переключатель испорчен в результате мутации, нарушается нормальная обработка сигналов. Многие из тех мутантов, о которых мы говорили выше — дрозофилы с ногами, растущими из головы, и люди с шестью пальцами на руках или ногах, — появились на свет из-за того, что испорченные переключатели запустили работу генов развития в точках с неправильными координатами.

Мощь комбинаторной логики

Конструкция генетических переключателей может быть различной. В среднем переключатели состоят из нескольких сотен пар оснований. На этом участке располагаются от пяти до двадцати сигнатурных последовательностей для связывания различных белков. Ответ переключателя на сигнал, поступающий из точки с определенной широтой, долготой, глубиной или высотой, зависит от наличия, числа и локального расположения сигнатурных последовательностей, способных связываться с белковыми продуктами генов развития. Эти белки могут быть дислоцированы вдоль любой оси и в любой ткани эмбриона. Специфический характер экспрессии, определяемый каждым конкретным переключателем, зависит от специфического набора сигнатурных последовательностей в его ДНК.

Чтобы понять, какая информация заключена в переключателях, и оценить невероятное разнообразие переключателей, следует больше узнать о природе белковых продуктов генов развития и о сигнатурных последовательностях. После этого я покажу, какие широкие возможности открываются в результате использования одних и тех же инструментов в различных комбинациях. Точные математические расчеты для нас не столь важны, как понимание мощи и эффективности комбинаторной логики.

Сигнатурные последовательности, распознаваемые белковыми продуктами генов развития, состоят всего лишь из 6-9 пар оснований; иногда их чуть больше. В одном переключателе среднего размера может уместиться множество сигнатурных последовательностей. Вариаций сигнатурных последовательностей также существует множество. Последовательность из шести оснований четырех типов (А, С, G и Т) допускает 4096 перестановок (4⁶), последовательность из семи оснований — 16 384 перестановки (4⁷), а последовательность из восьми оснований — 65 536 перестановок (4⁸). Белковый продукт каждого конкретного гена развития обычно узнает семейство сходных последовательностей. В сигнатурной последовательности в определенных пределах допустимы замены одного основания другим, но даже с учетом этого белковые продукты генов развития весьма избирательно связываются с последовательностями ДНК. Белковые продукты разных генов развития обычно распознают разные сигнатурные последовательности. Ниже представлен список нескольких белков генов развития и тех сигнатурных последовательностей, которые они узнают.

Где

Набор генов развития животных кодирует несколько сотен ДНК-связывающих белков, причем эти белки имеют разные предпочтения при связывании с сигнатурными последовательностями. Количество возможных комбинаций сигнатурных последовательностей в переключателях просто астрономическое. Допустим, у животного имеется 500 ДНК-связывающих белковых продуктов генов развития. Тогда количество парных комбинаций сигнатурных последовательностей и соответствующих белков составляет 500 x 500 = 250 000. Количество тройных комбинаций составляет 500 х 500 х 500 = 12 500 000, а четверных комбинаций превышает шесть миллиардов. Этот расчет показывает мощь комбинаторной логики сочетания генов развития и генных переключателей. Огромное разнообразие переключателей является результатом использования одних и тех же сигнатурных последовательностей и генов развития в разных комбинациях. Альтернативный путь мог бы заключаться в использовании большего количества белков, однако использование разных комбинаций из 500 белков гораздо эффективнее, чем кодирование 250 000 различных белков (это примерно в десять раз больше числа белков, закодированных в нашем геноме).

Позвольте мне сделать небольшое отступление, касающееся роли комбинаторной логики в биологии, хотя этот пример относится совершенно к другой области. Нашей иммунной системе приходится бороться с огромным количеством самых разных потенциальных патогенов, живущих в нас и вокруг нас. Иммунная система вырабатывает специфические белки — антитела, которые связываются с белками, сахарами или жирами этих чужеродных организмов. Человек способен синтезировать миллионы различных антител. И эта невероятная способность достигается путем комбинирования в разном порядке отдельных фрагментов скромного числа (нескольких сотен) генов антител и различных типов цепей антител, а вовсе не путем кодирования миллионов различных антител.

Многообразие переключателей и универсальность комбинаторной логики очень ярко проявляются в экспериментах с последовательностями переключателей. Встраивание или удаление сигнатурных последовательностей из ДНК переключателей позволяет увидеть гибкость и мощь этого механизма. Лидерами в данном направлении исследований были Майк Левайн и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли. Они изучали логику создания рисунка, состоящего из полосок, вдоль обеих осей эмбриона дрозофилы и обнаружили простой, но элегантный механизм, лежащий в основе процесса генетической разметки эмбриона.

Основная логика разметки раннего эмбриона дрозофилы в поперечном направлении отражена на рис. 5.2. Разметка в продольном направлении основана на той же логике. Точное положение полосы определяется силой сигналов, подаваемых на переключатель. Один из способов повышения силы сигнала заключается в увеличении числа копий сигнатурных последовательностей в переключателе. Например, горизонтальная полоса экспрессии гена, проходящая через самую южную часть эмбриона дрозофилы, активируется белковым продуктом гена развития, концентрация которого изменяется в направлении с юга на север. Обычно переключатель содержит две копии сигнатурной последовательности для этого белка. Если в этот переключатель добавить две копии сигнатурной последовательности, ширина полосы увеличится более чем вдвое и полоса покроет уже значительную часть южной полусферы эмбриона (рис. 5.4a).

Рис. 5.4. а. Введение в переключатель участка связывания активатора расширяет зону экспрессии. б. Удаление участка связывания репрессора расширяет полосу экспрессии, в. Введение участка связывания репрессора удаляет часть полосы экспрессии. Рисунок Джоша Клейса.

Напротив, добиться ослабления сигнала можно путем уменьшения числа сигнатурных последовательностей в переключателе или путем их полного уничтожения. В таком случае, если эти сигнатурные последовательности связывают белки-активаторы, то переключатель оказывается полностью испорченным. Если в приведенном выше примере изменить обе сигнатурные последовательности (рис. 5.4а), данный переключатель будет инактивирован. Однако если удалять сигнатурные последовательности, с которыми связываются белки-репрессоры, область запускаемой переключателем экспрессии расширяется. На рис. 5.4б изображен другой переключатель, обеспечивающий другую полосу экспрессии. Эта полоса в ширину составляет около 20°, простираясь от 40 до 60° ю.ш., и выходит за пределы южного "полушария" эмбриона. Переключатель, контролирующий эту полосу, содержит четыре копии сигнатурной последовательности, которую распознает белок-репрессор, экспрессирующийся в самой южной части эмбриона. Если эти последовательности ДНК изменяются, репрессор больше не может связываться с переключателем и полоса занимает всю нижнюю часть эмбриона.

Эти простые эксперименты показывают, каким образом точное географическое положение полосы изменяется в результате изменения соответствующей сигнатурной последовательности. Чтобы заставить переключатель создавать специфический рисунок относительно обеих осей, нужно просто включить в него сигнатурные последовательности для белковых продуктов генов развития, действующих вдоль этих осей. Если ввести сигнатурную последовательность для связывания репрессора, который экспрессируется в южной части эмбриона, voila, экспрессия белковой полосы на юге исчезает (рис. 5.4в).

Таким образом, введение, удаление или изменение лишь нескольких оснований в последовательности переключателя может изменить характер экспрессии того или иного гена. Эти изящные эксперименты дают нам некоторое представление о том, каким образом приобретение или потеря сигнатурных последовательностей могли влиять на ход эволюции видов. Позже я расскажу об этом подробнее, но, надеюсь, вы уже начинаете понимать, какими возможностями обладают генетические переключатели.

Полоска за полоской, косточка за косточкой: целое — это сумма многих частей

Переключатели генов, экспрессирующихся в виде полосок в раннем эмбрионе, были изучены одними из первых. Одно из самых удивительных открытий, сделанных при изучении этих переключателей, заключалось в том, что отдельные полосы в многополосном рисунке задаются отдельными переключателями. Например, даже если семь полос экспрессии каких-то генов кажутся очень похожими и разделены одинаковыми промежутками, все полосы задаются разными переключателями, которые интегрируют разные комбинации продольных сигналов. Сначала может показаться, что это слишком сложный аппарат для создания довольно простого рисунка экспрессии. Однако пошаговое выстраивание узора — полоска за полоской, — обнаруженное у эмбриона плодовой мушки, оказалось ключом к общему правилу: картина экспрессии любого гена развития на самом деле является суммой многих составляющих, и каждая составляющая контролируется отдельным переключателем.

Открытие того, как действуют переключатели при создании полосок, помогло найти ответ на давнишний вопрос о том, как происходит формирование пространственной структуры биологических объектов. Несколько десятилетий математики и компьютерщики были заинтригованы процессом формирования повторяющихся сегментов, полосками зебры и узорами на раковинах морских моллюсков. Под влиянием статьи гениального Алана Тьюринга (основателя информатики, во время Второй мировой войны помогавшего расшифровать код немецкой шифровальной машины "Энигма") "Химические основы морфогенеза" (The Chemical Basis of Morphogenesis), вышедшей в 1952 г., многие теоретики пытались объяснить периодичный характер структур сложного организма. Однако их красивые модели и расчеты не подтвердились открытиями, сделанными за последние двадцать лет. Математики не могли вообразить, что в создании периодических структур основную роль играют модульные генные переключатели и что видимые глазом периодические структуры являются суммарным результатом работы множества отдельных элементов.

Мало того, что гены могут иметь несколько переключателей для разных вариантов экспрессии в конкретный момент, но, кроме того, они часто имеют разные переключатели, контролирующие совершенно разный характер их экспрессии в разных тканях и на разных этапах развития. Гены развития очень редко ограничиваются выполнением какой-то одной функции. Напротив, они вновь и вновь используются в разных местах и на разных этапах формирования эмбриона. Переключатели обеспечивают многосторонность функции индивидуальных генов. Практически каждый ген развития контролируется множеством переключателей. Часто ген имеет десять переключателей и более, а верхний предел, если таковой имеется, нам пока неизвестен.

Построение тела и частей тела осуществляется с помощью набора процессов, контролируемых отдельными переключателями. Сложный и большой скелет позвоночного на самом деле кодируется и выстраивается по отдельным косточкам в результате работы целых серий переключателей, организованных вокруг основных генов развития. Одно семейство белковых продуктов генов развития, исполняющих важную роль в развитии скелета, получило название BMP (Bone Morphogenetic Proteins — морфогенетические белки костей (англ.)), поскольку эти белки способствуют образованию хрящевой и костной ткани. Регуляция активности одного гена из этого семейства, гена ВМР5, наглядно иллюстрирует, каким образом индивидуальные структурные элементы создаются с помощью специфических переключателей.

Ген ВМР5 буквально окружен переключателями. Существуют специфические переключатели для экспрессии этого гена в ребрах, конечностях, пальцах рук, внутреннем ухе, наружном ухе, позвонках, щитовидном хряще, пазухах носа, грудине и др. (рис. 5.5). В разных местах и в разное время для создания разных структур производится один и тот же белок, причем специфика каждой операции и характер экспрессии определяются исключительно действием специфических переключателей. Существование отдельных переключателей для каждого участка обеспечивает тонкую настройку, необходимую для создания и детализации каждой части тела.

Рис. 5.5. Экспрессия гена BMP5 в различных частях мышиного эмбриона контролируется разными переключателями. По данным Дэвида Кингсли, Медицинский институт Говарда Хьюза и Стэнфордский университет; рисунок Джоша Клейса.

Изобилие переключателей

Удивительное разнообразие и тонкая географическая специфика действия переключателей являются результатом использования комбинаторной логики. Поскольку команда, выдаваемая переключателем, определяется суммой входящих в него сигналов, а количество возможных комбинаций сигналов возрастает экспоненциально с добавлением каждого нового сигнала, число команд, выдаваемых переключателем, потенциально бесконечно. Представьте себе, что дает возможность комбинировать полосы, линии, пятна, точки экспрессии активаторов и репрессоров и размещать их в любом месте, в любой ткани и в любом сочетании. Рисунки экспрессии могут быть самыми разными, и в геномах различных животных были обнаружены переключатели, создающие невероятное разнообразие таких рисунков. В каждой точке системы координат переключатели могут нарисовать и рисуют практически любые геометрические узоры экспрессии генов.

Но, хотя число возможных комбинаций сигналов и сигнатурных последовательностей огромно, реальное количество переключателей в каждом организме все же ограничено. И некоторые переключатели все же похожи друг на друга. Чтобы координировать процесс развития, в частности, создавать клетки конкретного типа со специфическими функциями, переключатели разных генов часто используют общий сигнал и общую сигнатурную последовательность. Например, для создания мышечных клеток необходимо синтезировать набор белков, позволяющих клеткам сокращаться, быстро использовать источник энергии и эффективно удалять отходы активной мышечной деятельности. Гены этих белков активируются в клетках мышц с помощью переключателей, в которых одинаковые сигнатурные последовательности узнаются одними и теми же белками. То же самое справедливо и для других специфических типов клеток — нейронов, фоторецепторных клеток глаза, клеток поджелудочной железы, клеток гипофиза и др. Функционирование органов обычно зависит от одного или нескольких генов развития, которые запускают группы переключателей, принадлежащих многим генам во всем геноме.

Модульные переключатели для построения модульных организмов: как сделать повторяющиеся части разными

Теперь, когда мы уже довольно хорошо представляем себе механизмы работы генетических переключателей, давайте поговорим о том, как эти механизмы вписываются в основные закономерности формирования тел животных, а также начнем разговор о том, как животные эволюционируют. Важнейшей чертой таких крупных и сложных животных, как членистоногие и позвоночные, является их модульное строение. Понимание того, как переключатели придают повторяющимся частям разную форму для выполнения разных функций, — ключ к пониманию развития и эволюции наших любимых животных.

В предыдущей главе мы убедились, что разные Hox-гены экспрессируются в разных сегментах и конечностях членистоногих и разных ромбомерах и сомитах позвоночных. Вид и функция каждого модульного элемента зависят оттого, какой или какие конкретные Hox-гены работают в данном конкретном сегменте, сомите, конечности или ромбомере. Именно образование этих "зон" экспрессии Hox-генов и их дальнейшее участие в создании повторяющихся элементов с различной формой и лежит в основе генетической логики, в соответствии с которой образуется модульная структура крупных симметричных животных.

Эта генетическая логика опирается на генетические переключатели на двух уровнях. Один набор переключателей принадлежит самим Hox-генам. Эти переключатели активируют соответствующие Hox-гены в определенных зонах, которые позднее станут модулями тела животного. Другая группа переключателей содержит сигнатурные последовательности, узнаваемые Hox-белками, и контролирует экспрессию других генов развития в различных модулях.

Как у членистоногих, так и у позвоночных разные Hox-гены экспрессируются вдоль основной оси эмбриона. Границы зон экспрессии каждого Hox-гена контролируются генетическими переключателями, при этом разные переключатели отвечают за экспрессию Hox-генов в различных структурах и тканях, таких как задний мозг, нервная трубка, сомиты и зачатки конечностей у позвоночных и эпидермис и нервный тяж у членистоногих. В соответствии с этой логикой клетки, относящиеся к одному модулю, производят не такие Hox-белки или их комбинации, как клетки соседнего модуля. Особая форма каждого модуля — ромбомера или сомита позвоночного, сегмента или конечности членистоногого — определяется влиянием Hox-белков на другие гены.

Основную логику того, как под влиянием Hox-белков формируются повторяющиеся элементы с различной морфологией, проще всего проиллюстрировать на примере насекомых. Большинство сегментов, расположенных вдоль основной оси тела насекомых, различаются по внешнему виду и несут на себе разные элементы. Например, первый грудной сегмент не имеет крыльев, второй грудной сегмент несет крупные передние крылья, а третий грудной сегмент — маленькие задние крылья, необходимые для поддержания равновесия в полете. В клетках передних крыльев Hox-белки не экспрессируются, но все клетки задних крыльев синтезируют белок Ubx (поскольку серия переключателей гена Ubx активирует его в третьем грудном сегменте и в задних крыльях). Различие между задними и передними крыльями насекомых связано с действием белка Ubx.

Белок Ubx определяет форму задних крыльев путем воздействия на переключатели генов, от которых зависит форма крыла. Он выключает гены, способствующие образованию структур, характерных для передних крыльев (жилок и др.), и включает гены, способствующие образованию структур, характерных для задних крыльев. Переключатели этих генов должны интегрировать множество сигналов (и содержать сигнатурные последовательности для каждого). Если мы сделаем "моментальный снимок" состояния переключателей и активности генов в передних и в задних крыльях, то обнаружим, что белок Ubx воздействует на группу переключателей, чтобы придать задним крыльям иную форму, чем у передних (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Альтернативные варианты экспрессии генов в передних и задних крыльях контролируются представителем семейства белков Hox. Прямые линии соответствуют переключателям, буквы — различным регуляторным белкам; буквой U обозначен белок Ubx. Различия в форме передних и задних крыльев объясняются разным набором активированных генов. Рисунок Джоша Клейса.

Та же логика действует при создании различных ромбомеров, позвонков и ребер у пресмыкающихся, а также различных типов конечностей у членистоногих. Различия в окончательной форме этих сериально гомологичных структур определяются Hox-белками, которые вызывают активацию определенных групп генов, участвующих в формировании конечностей, ромбомеров, позвонков и ребер в каждой точке вдоль основных осей тела.

"Монтаж" эмбриона: переключатели, цепи и сети

Я продемонстрировал работу генетических переключателей на примере одного переключателя одного гена, нескольких переключателей одного гена, а также группы переключателей, контролируемых одним белком. Однако все переключатели и белки, о которых я говорил, и все картины экспрессии, которые я показывал, — лишь отдельные кадры общего процесса. Весь процесс формирования животного — это огромное множество кадров, объединенных в невероятный, непрерывный кинофильм.

Форма тела и частей тела животного никогда не является результатом работы какого-то одного гена или переключателя. Части тела, ткани и типы клеток — все это продукты деятельности множества белков и переключателей, которые организуют морфогенез во времени и в пространстве, а также белков и других молекул, придающих клеткам и тканям их специфические физиологические и механические свойства. Процессы развития, которые осуществляются под контролем одних переключателей и белков, связаны с другими процессами, в которых принимают участие другие переключатели и другие белки. большие группы взаимосвязанных переключателей и белков образуют "цепи", которые, в свою очередь, являются частью еще более сложных "сетей", управляющих развитием сложных структур. Архитектура животных — продукт архитектуры генетических регуляторных сетей.

Схему или логику этих цепей и сетей можно изобразить с помощью диаграммы, какую используют для изображения электрических сетей или логических схем. Каждый переключатель — это точка принятия решения, узел генетической цепи. На рис. 5.7 схематически изображен ряд взаимосвязанных цепей, в которых задействовано только небольшое количество активаторов, репрессоров, переключателей и генов. Эта модель опять-таки отражает лишь часть значительно более сложной системы. Чтобы в деталях описать процесс создания дрозофилы, мне, вероятно, понадобилось бы не меньше тысячи страниц, а чтобы описать создание человека — несколько тысяч страниц. Регуляторные сети позвоночных более многочисленны (у нас в три раза больше типов клеток, чем у мух или других беспозвоночных), но на самом деле не более сложные.

Рис. 5.7. Схема регуляторной логики генетической сети. Активаторы (буквы в кружочках) и репрессоры (буквы в квадратиках) действуют на переключатели (прямые линии). Стрелки соответствуют активации, а линии, заканчивающиеся перпендикулярной чертой, означают репрессию. В построении и создании формы любой структуры обычно задействовано множество цепей активаторов и репрессоров. Рисунок Джоша Клейса.

Переключатели и разрешение парадокса набора генов развития

Биологи только начинают осознавать важную роль переключателей. Мы уже несколько десятилетий умеем читать генетический код и находить в ДНК закодированные последовательности белков. В рамках модели, где центральным действующим лицом является белок, гены воспринимались как фрагменты информации, рассредоточенные в огромном море "пустой" ДНК. Кроме того, было распространено мнение, что различия между животными в значительной степени связаны с различиями в количестве генов и характере их последовательностей. Но теперь мы начинаем понимать, что гены окружены множеством переключателей. Кроме того, из результатов секвенирования геномов стало ясно, что человек и мышь имеют почти одинаковое количество генов (около 25 000). Поскольку сходство кодирующих последовательностей оказалось столь велико, пришло время выяснить, какую роль в эволюции играют переключатели.

Узнав, какова логика генетических переключателей и насколько они разнообразны, мы готовы задуматься об их вкладе в эволюцию биоразнообразия. Серьезный парадокс, возникший после открытия похожих наборов генов развития у самых разнообразных животных, заключается в следующем: как объяснить создание столь разных форм на основе одинаковых генов? Разгадка этого парадокса нашлась в результате открытия серий переключателей, которые позволяют использовать один и тот же ген снова и снова, иногда слегка, а иногда — очень сильно отличающимися способами при развитии сериально гомологичных структур у одного и того же животного.

От понимания роли переключателей в развитии до осознания их вклада в эволюцию нас отделяет совсем небольшой шаг. Переключатели позволяют использовать одни и те же гены развития по-разному в организме разных животных. Поскольку отдельные переключатели представляют собой независимые устройства по обработке информации, эволюционные изменения одного переключателя гена развития или переключателя, контролируемого белковым продуктом гена развития, могут изменить ход развития одной структуры, не влияя на другие структуры. Здесь кроется ключ к пониманию эволюции модульных тел и частей тел животных: так, например, у нас эволюционировал большой палец руки, отстоящий от остальных пальцев, а у мух возникли характерные задние крылья. Многие удивительные загадки эволюции, о которых я расскажу в следующей части книги (от взрыва биоразнообразия в кембрийском периоде до потрясающего разнообразия живущих сегодня бабочек и млекопитающих), объясняются именно эволюционными изменениями генетических переключателей.