Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

Хотя все конечности состоят из одних и тех же элементов — костей, сухожилий, мышц, суставов и т.д., размер, форма и число этих элементов в разных частях конечностей различаются. Например, плечо состоит из одной длинной кости, предплечье — из двух длинных костей, а кисть имеет до пяти пальцев. За размер, форму и число элементов конечности отвечает группа Hox -генов (в первую очередь Hoxa9-13 и Hoxd9-13), зоны экспрессии которых в процессе развития как задних, так и передних конечностей формируют очень сложную картину и частично перекрывают друг друга. Кроме того, у большинства видов животных передние и задние конечности также устроены по-разному. Наши руки и ноги, кисти и стопы, пальцы рук и ног — это разные вариации одной и той же структуры. У других животных, таких как птицы, кенгуру или динозавр Tyrannosaurus rex, различие между передними и задними конечностями еще заметнее. Это связано с тем, что в передней или задней конечности происходит избирательная экспрессия определенной группы генов развития, что и определяет формирование различий между этими сериально гомологичными структурами.

4о Процесс формирования сомитов маркирован экспрессией генов развития в каждом развивающемся сомите, включая те, которые еще только предстоит сформировать. Фотография предоставлена Оливье Пуркье Институт Стауэрсов, Канзас-Сити, Миссури.

4p Зоны экспрессии определенных Hox-генов располагаются вдоль туловища в определенных сомитах. Фотография предоставлена Оливье Пуркье, из статьи Cell 106 (2001): 219-32 с разрешения издательства.

4q Экспрессия гена развития помечает расположение развивающихся почек крыльев и ног. Фотография предоставлена Джоном Фоллоном, Университет Висконсина.

4r Два важнейших участка почки конечности цыпленка маркируются экспрессией генов развития. Ген Sonic hedgehog экспрессируется в зоне поляризующей активности, а ген FGF8- в апикальном эктодермальном гребне почки конечности.

4s Ген развития Lmx помечает верхнюю половину конечности. Показаны почки двух конечностей: обратите внимание на лиловую окраску верхней части каждой из них. Фотографии 4r и 4s предоставлены Клиффом Табином, Медицинский факультет Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс.

4t Последовательные стадии развития конечности и формирование хрящевой ткани визуализируются благодаря экспрессии генов развития. На первой картинке показаны области экспрессии гена Sox9 в почке конечности, маркирующие будущие отделы верхней конечности. На остальных картинках отражено последовательное формирование предплечья, кисти и пальцев. Фотографии предоставлены Хуаном Урле, Университет Кантабрии, Сантандер, Испания; из статьи Developmental Biology 257 (2003): 292-301 с разрешения издательства.

Одно из самых поразительных свойств строения тела животного — это его упорядоченность на всех уровнях, от общего плана до мельчайших деталей отдельных частей. Прекрасные примеры — расположение чешуек на крыльях бабочек и перьев на теле птиц. Хотя местонахождение клеток задается достаточно точно, задание координат — не единственный способ, каким достигается упорядоченность. Расстояние между отдельными элементами какой-либо системы часто определяется механизмом так называемого латерального ингибирования. Принцип этот прост, но его эффект удивителен.

Представьте себе толпу людей. Каждого человека попросили отодвинуться от соседей, окружающих его со всех сторон, на расстояние вытянутой руки. В результате каждый создает вокруг себя зону отчуждения с радиусом в протянутую руку, куда не проникает никто другой. Таким образом, возникает группа людей, отстоящих друг от друга на равные интервалы (если мы условимся, что все руки одинаковой длины, как на рис. 4.5).

Рис. 4.5. Создание упорядоченного рисунка. В исходно равномерном поле клеток (первый квадрат) начинается дифференцировка двух клеток (черные круги на втором квадрате), что препятствует дифференцировке других клеток, находящихся с ними в непосредственном контакте. В других местах клетки также начинают дифференцировать, ингибируя дифференцировку ближайших соседей (третий квадрат), что в конечном итоге приводит к регулярному распределению дифференцировавшихся клеток (последний квадрат). Теперь эти клетки могут образовывать щетинки, перья или другие структуры. Рисунок Джоша Клейса.

То же самое делают клетки, устанавливая порядок на микроскопическом уровне. Механизм этого процесса заключается в том, что клетки, которые должны сформировать определенные структуры, образуют вокруг себя зоны ингибирования. Только клетки, находящиеся вне действия такой зоны, способны формировать такую же структуру. В результате получается регулярный рисунок — волоски на теле животных, пух, перья и чешуйки у птиц, пресмыкающихся и млекопитающих, а также изумительные сложные глаза членистоногих. Любой из этих рисунков создается на локальном уровне в результате клеточных взаимодействий, а не специфицируется глобальными координатами. У эмбриона созданию такого рисунка предшествует формирование пространственно-упорядоченного узора экспрессии генов, задействованных в дальнейшем развитии структуры. Например, ген Sonic hedgehog экспрессируется на очень поздней стадии развития куриного эмбриона в каждом зачатке будущего пера еще до появления перьев (вкладка 4x).

4u Ген развития GDF5 помечает будущие суставы пальцев. Фотография предоставлена Хуаном Урле, Университет Кантабрии, Сантандер, Испания; из статьи Developmental Biology 257 (2003): 292-301 с разрешения издательства.

4v Ген развития scleraxis маркирует расположение будущих сухожилий конечности и ее пальцев.

4w Ген развития BMP 4 маркирует те ткани между пальцами, которые должны исчезнуть.

4x Ген развития patched намечает расположение развивающихся зачатков перьев на спине цыпленка. Фотографии 4v-4x предоставлены Клиффом Табином, медицинский факультет Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс.

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.