Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

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.

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.

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.

Если смотреть на только что отложенное яйцо плодовой мушки обычными глазами, оно ничем не выдает той драмы, что разыгрывается у него внутри. На самом деле ключевые гены развития, приведенные в действие оплодотворением, начинают размечать географическую карту развивающегося эмбриона. Хотя все клетки растущего эмбриона содержат одну и ту же ДНК (т.е. одни и те же гены), гены развития активизируются лишь в определенных частях эмбриона и только в определенные моменты времени. За включением и выключением генов развития мы можем наблюдать с помощью мощных современных технологий, позволяющих визуализировать РНК или белковые продукты этих генов в развивающемся эмбрионе. Эти картины отражают порядок и логику создания животного.

Спустя два часа после оплодотворения эмбрион дрозофилы в длину (в направлении восток — запад) состоит примерно из 100 клеток. С помощью набора из нескольких генов развития эмбрион уже разделен на западный, центральный и восточный регионы, которые выглядят как полоски из 15-25 клеток (цветная вкладка 4а), причем некоторые из полосок перекрываются. Эти полосы существуют недолго, но прежде чем они исчезнут, активизируется другой набор из семи генов развития, которые экспрессируются полосками, покрывающими восточные две трети эмбриона. Полосы экспрессии шириной в 3-4 клетки разделены "чистыми" промежутками шириной в 4-5 клеток (вкладка 4b). Каждая полоса и соседний интервал покрывают собой пару будущих сегментов; здесь активируются pair-rule-гены ("гены правила пары"). Эти полосы тоже быстро исчезают.

Как только эти прекрасные, регулярно расположенные полоски начинают блекнуть, включается другая группа генов, образующая четырнадцать полосок — некоторые шириной в 1-2 клетки, другие чуть шире; они также занимают восточные две трети эмбриона (вкладка 4с). Будущая личинка сформирует четырнадцать основных сегментов, так что каждая полоса соответствует теперь одному сегменту. Большинство из этих четырнадцати полос сохраняются на протяжении всего периода развития, и через несколько часов после их появления начинается процесс физической сегментации эмбриона. Некоторые полосы точно маркируют границы между сегментами, другие отмечают различные координаты внутри каждого сегмента.

После того как последовательные включения и выключения трех групп генов определили границы сегментов (модулей эмбриона), в дело вступает четвертая группа генов, определяющих специфику модулей, находящихся на разных долготах вдоль оси восток — запад. Это Hox-гены, действие каждого из которых обычно охватывает от двух до семи сегментов и которые остаются активными до конца развития эмбриона (вкладка 4d). Hox-гены определяют, что должно происходить или не происходить в каждом конкретном сегменте или наборе сегментов.