ОтE. coliдо слона
Что верно для Е. coli, верно и для слона.
"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.
1 Регуляция работы гена осуществляется с помощью присоединения / отсоединения ДНК-связывающего белка к / от ДНК.
2 ДНК-связывающий белок узнает специфическую последовательность ДНК вблизи последовательности гена.
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).