Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

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.

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.

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).