Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

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.

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.