Со звездного неба до нас доходит лишь слабый свет. Но чего бы достигла человеческая мысль, если бы мы не могли видеть звезды?
Представьте себе на минуточку процесс развития с позиции эмбриона: какая именно работа стоит за всеми клеточными делениями и перемещениями, за созданием зародышевых листков, сегментов и частей тела. Мы только что увидели логические стадии процесса развития, но где инструкции для выполнения каждой стадии? Почему широкие полоски образуются раньше узких, а положение одних костей определяется раньше положения других? И почему одни кости длинные и тонкие, а другие короткие и толстые? Откуда гены развития знают, где и когда им следует включаться, чтобы сформировать эмбрион? Где хранятся инструкции по работе генов развития?
Чтобы ответить на эти вопросы, я вынужден сделать два опасных шага. Во-первых, в поисках аналогии я обращусь к космологии. Риск заключается в том, что я очень мало знаю об исследованиях Вселенной, но все же мне ясно, что в устройстве Вселенной и устройстве генома есть нечто общее. Во-вторых, затем мне придется соединить эту аналогию еще с одной. Оправданием для такой авторской вольности является то, что в этой главе содержится наиболее сложная, но при этом и наиболее важная в концептуальном смысле информация. Так что потерпите, пожалуйста.
На протяжении большей части своей истории астрономия имела дело только с тем, что можно было разглядеть в небе — сначала невооруженным глазом, потом — с помощью все более сложных телескопов. Как правило, мы все лучше и лучше понимаем то, что видим (образование звезд, структуру галактик и коллапсирование солнц), но совсем недавно астрономы осознали, что лишь малая доля материи Вселенной видима (то есть излучает свет или другие волны). Поведение некоторых видимых объектов, таких как галактики, определяется влиянием более обширной, невидимой "темной материи" и "темной энергии".
Аналогия с генетикой состоит в том, что на протяжении десятилетий, благодаря простоте генетического кода, мы могли видеть в геноме только "звезды" и знали, в каком месте генома закодирован тот или иной ген. Но теперь и мы осознали, что в геномах большинства животных на долю генов, которые мы видим, приходится лишь малая часть ДНК. Преобладающая часть ДНК представляет собой последовательности, в которых не закодировано никаких генов и функцию которых нельзя определить просто путем прочтения их нуклеотидной последовательности. Это "темная материя" генома. Точно так же, как темная материя во Вселенной управляет поведением видимых тел, так и темная материя генома контролирует время и место использования конкретных генов.
Эта глава целиком посвящена темной материи в ДНК, а также тому, как она дает инструкции для работы генов развития, обеспечивающие разметку и формирование частей тела. Эти инструкции встроены в темную материю ДНК в виде генных переключателей (моя вторая аналогия). Возможно, раньше вы никогда о них не слышали. Ни в научной среде, ни в прессе они не вызвали того интереса, которого заслуживают. Но дело, скорее всего, не в их значении, а в том, как трудно их обнаружить и понять, как они работают. Лишь сравнительно недавно молекулярные биологи смогли заглянуть в темноту и исследовать расположение и функции переключателей. Самое удивительное и важное свойство генных переключателей — это способность контролировать наиболее тонкие моменты в работе отдельных генов развития. Анатомия тел животных в буквальном смысле закодирована и выстраивается — кусочек за кусочком, полоска за полоской, косточка за косточкой — созвездиями переключателей, распределенными по всему геному.
Переключатели — главные действующие лица в обоих обсуждаемых нами процессах, в развитии и в эволюции. Именно переключатели создают удивительные картины экспрессии генов, о которых мы говорили в предыдущей главе. Переключатели содержат уникальные для каждого вида животного инструкции, позволяющие создавать разных животных с помощью одного и того же набора генов развития. Недаром эти "горячие точки" эволюции так восхищали Киплинга — ведь именно переключатели создали пятна, полосы, горбы и прочее. Отчасти программисты, отчасти художники, эти фантастические устройства переводят географию эмбриона на язык генетических инструкций для создания трехмерной формы.
Вглядываемся в темноту
В космологии, биологии, а также в других науках существование отдельных элементов определяют либо напрямую — путем наблюдения, либо косвенно — путем изучения влияния этих элементов на другие, которые легче увидеть или измерить. Все доказательства существования темной материи во Вселенной являются косвенными и основаны на измерении скоростей движения и вращения галактик. Из этих данных ученые заключили, что внутри галактик должна существовать некая значительная масса, которую нельзя увидеть. Астрономы и физики до сих пор не знают точно, из чего состоит эта темная материя.
Исследования темной материи генома продвинулись гораздо дальше, поскольку мы знаем, из чего она состоит (из ДНК), и можем выделить ее и изучить ее свойства прямыми и косвенными методами. Один из наиболее мощных методов изучения некодирующей "темной" ДНК заключается в том, чтобы присоединить ее фрагмент к какому-либо гену, за которым легко наблюдать (например, к гену фермента, участвующего в цветной реакции, или гену флуоресцентного белка, видимого в луче света). Если включить эту конструкцию обратно в геном, а затем проанализировать цветную картинку, полученную с помощью микроскопа, можно понять, какого рода инструкции содержатся в этом фрагменте темной материи (новое пятно здесь, новая полоса там и т.д.). Однако основная часть темной материи ДНК не содержит никаких инструкций, а представляет собой просто "мусорную" ДНК, накопившуюся в процессе эволюции. У человека лишь 2-3% темной материи содержат генетические переключатели, контролирующие работу генов. Вся эта глава будет посвящена тому, каким образом генные переключатели контролируют развитие животных, а в оставшейся части книги мы в основном поговорим о том, как изменения переключателей влияют на ход эволюции.
Принцип устройства генных переключателей я объяснил в третьей главе на примере генетической системы, позволяющей клеткам Е. coli утилизировать лактозу. Вспомните, что у этой бактерии синтез ферментов, необходимых для расщепления лактозы, контролируется генным переключателем. Переключатель состоит из последовательности ДНК, расположенной непосредственно перед последовательностями генов, кодирующих эти ферменты. Когда лактозы нет, белок lac-репрессор связывается со специфической последовательностью переключателя и предотвращает транскрипцию. Когда появляется лактоза, репрессор отсоединяется от переключателя, позволяя включиться гену, продукт которого отвечает за расщепление лактозы.
У животных генные переключатели устроены несколько сложнее: они представляют собой более протяженные последовательности ДНК, способные к связыванию с большим количеством разнообразных белков. Некоторые из этих белков активируют транскрипцию, другие ее подавляют. Переключатели "обрабатывают" сигналы от множества белков и трансформируют их в более простую команду, которую мы наблюдаем в виде трехмерной картины экспрессии генов, такой как полосы и пятна, описанные в предыдущей главе. Важно, что один и тот же ген может регулироваться несколькими переключателями, что позволяет использовать этот ген в разное время и в разных местах, например, при формировании сердца, глаз и пальцев (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Генные переключатели контролируют использование генов в тканях организма. Экспрессия данного гена в сердце, глазах и пальцах рук контролируется независимыми переключателями. Для генов развития характерно наличие множества переключателей, активирующихся при формировании разных частей тела. Рисунок Лианн Олдс.
Существование переключателей расширяет наши представления о том, как работают гены. Говоря о генах, биологи обычно подразумевают исключительно последовательность ДНК, кодирующую белок, который, в свою очередь, совершает работу в клетках. Переключатели ничего не кодируют, они только регулируют процессы на уровне ДНК. Но гену для выполнения своих обычных функций необходима информация, поступающая от всех его переключателей. Таким образом, ген, имеющий три переключателя, состоит из четырех отдельных частей — одна кодирующая и три регуляторные (рис. 5.1). Мутации отдельных переключателей могут приводить к серьезным последствиям на уровне анатомии организма. Я буду по-прежнему использовать слово "ген" в его обычном смысле, подразумевая кодирующую последовательность, и всегда буду уточнять, если речь пойдет о переключателях.
Переключатели в роли GPS-интеграторов
Мы с вами увидели, что гены развития активируются в строго определенных точках в трехмерной координатной системе эмбриона. Но как пространственные координаты эмбриона передаются генам в виде инструкций, заставляющих их включиться или выключиться в определенный момент? Генные переключатели действуют подобно устройствам глобальной системы позиционирования (Global Positioning System, GPS). Подобно тому, как GPS-локатор на корабле, в машине или в самолете определяет местонахождение объекта путем интеграции множества сигналов, генный переключатель интегрирует позиционную информацию о координатах широты, долготы, высоты и глубины эмбриона, а затем указывает место, где ген должен включиться или выключиться. Я продемонстрирую принцип работы переключателей на нескольких примерах. Эти примеры следует воспринимать лишь в качестве фрагментов общей картины развития животных. В общем сценарии участвуют десятки тысяч переключателей, действующих одновременно и по очереди. Но мы не будем пытаться описать всю картину целиком; для нас главное понять логику и специфику механизма действия переключателей.
Основная функция переключателя состоит в превращении существующей картины активности генов в другую, новую картину активности генов. Одна из лучших иллюстраций того, как работают генетические переключатели, — процесс спецификации меридиональных полос экспрессии генов вдоль оси восток — запад у эмбриона дрозофилы. На ранних этапах развития эмбриона широкие полосы, состоящие из 15-25 клеток, экспрессируют белки — продукты определенных генов развития — в определенных областях вдоль оси тела. Белковый продукт каждого гена связывается со специфической последовательностью ДНК, обычно длиной в 6-9 пар оснований. Узнавание белком специфической последовательности ДНК происходит примерно так же, как ключ "узнает" свой замок. В данном случае роль замка играет специфическая последовательность ДНК. Такие последовательности называют "сигнатурными" (от англ. signature — подпись), поскольку белковому продукту каждого гена развития соответствует своя характерная последовательность. Переключатели, контролирующие определенные гены, содержат копии определенных сигнатурных последовательностей. Благодаря этому переключатели связываются с соответствующими белками, но только в ядрах тех клеток, которые находятся в координатах эмбриона, где производятся такие белки. В примере на рис. 5.2 белок А экспрессируется в диапазоне от 20 до 60° восточной долготы (в.д.), белок В — от 40 до 60° в.д., а белок С — от 30° в.д. до 30° западной долготы (з.д.). Белок А является активатором гена X, а белки В и С — его репрессоры. В соответствии с общим правилом, репрессор подавляет действие активаторов, и ген выключается. Переключатель гена Х содержит участки связывания белков А, В и С. В разных точках вдоль оси эмбриона эти участки связывания заняты разными комбинациями белков.
Рис. 5.2. Переключатели интегрируют множество сигналов, трансформируя их в полосу экспрессии гена. Активатор (А) и репрессоры (В и С) экспрессируются в разных координатах; суммарным итогом действия переключателя является узкая полоса экспрессии. Рисунок Джоша Клейса.
В клетках, расположенных в диапазоне от 90 до 60° з.д., ни один из этих белков не связан с переключателем, так что ген выключен. В клетках, расположенных между 60 и 400 з.д., с переключателями связаны белки А и В, так что ген выключен. В клетках между 40 и 30° з.д. с переключателем связан только белок А, и поэтому ген включен. Наконец, в клетках между о и 30° в.д. с переключателем связан только белок С, и ген выключен. После обработки этих трех "меридиональных" сигналов переключатель разрешает гену включиться только в узкой полосе клеток шириной 10°, так что три широкие полосы возможной экспрессии гена в реальности сводятся к одной узкой полоске. Положение этой полоски определяется не только разрешающим сигналом "включить с 30 до 40° з.д.", но и ограничивающими сигналами "выключить" с двух сторон.
Вы можете спросить, откуда берутся указания для экспрессии самих генов A, B и C Хороший вопрос. Экспрессия этих генов, в свою очередь, также контролируется переключателями в генах А, 8 и С соответственно, которые интегрируют сигналы белковых продуктов других генов, появляющихся на более ранних стадиях развития эмбриона. А откуда берутся эти сигналы? Из еще более ранних сигналов. Я понимаю, что это напоминает старую загадку про курицу и яйцо. Но в конечном итоге вся пространственная информация в эмбрионе берет свое начало от молекул, асимметрично распределенных в яйцеклетке, которые закладываются в нее во время ее формирования в яичнике. С этого асимметричного распределения молекул и начинают формироваться две основные оси эмбриона (так что яйцо все же появляется раньше курицы). Я не собираюсь сейчас описывать эти этапы развития. Сейчас нам с вами важно понять, что действие каждого переключателя основано на предыдущих событиях и что, включая зависимый от него ген, переключатель инициирует следующие этапы развития.
В принципе переключатели могут обрабатывать любую комбинацию сигналов широты, долготы, высоты и глубины. На рис. 5.3 представлен пример переключателя, интегрирующего сигналы, поступающие от разных осей. Таким образом происходит позиционирование конечностей в развивающемся эмбрионе дрозофилы. Переключатель гена Distal-less, принимающего участие в формировании конечностей, интегрирует сигналы по широте и долготе и запускает экспрессию гена Dll в нескольких точках, расположенных вдоль основной оси эмбриона. К переключателю поступают сигналы в виде белковых продуктов нескольких уже экспрессирующихся генов развития. Один белок-активатор формирует полосы через каждые 150 вдоль оси восток — запад, но только в южном "полушарии" (0-900 ю.ш.). Два разных репрессора экспрессируются в диапазоне от 30 до 900 ю.ш. и во всем восточном "полушарии" соответственно. Интеграция и обработка этих трех сигналов приводит к тому, что ген Dll экспрессируется в небольших кластерах клеток, располагающихся на 90, 75, 60, 45, 30 и 15° з.д. и 0-30° ю.ш.
Рис. 5.3. Интеграция сигналов с разной широты и долготы определяет координаты кластеров клеток, с которых начинается формирование конечностей. Рисунок Джоша Клейса.
Физическая целостность переключателей играет очень важную роль в развитии. Если переключатель испорчен в результате мутации, нарушается нормальная обработка сигналов. Многие из тех мутантов, о которых мы говорили выше — дрозофилы с ногами, растущими из головы, и люди с шестью пальцами на руках или ногах, — появились на свет из-за того, что испорченные переключатели запустили работу генов развития в точках с неправильными координатами.
Мощь комбинаторной логики
Конструкция генетических переключателей может быть различной. В среднем переключатели состоят из нескольких сотен пар оснований. На этом участке располагаются от пяти до двадцати сигнатурных последовательностей для связывания различных белков. Ответ переключателя на сигнал, поступающий из точки с определенной широтой, долготой, глубиной или высотой, зависит от наличия, числа и локального расположения сигнатурных последовательностей, способных связываться с белковыми продуктами генов развития. Эти белки могут быть дислоцированы вдоль любой оси и в любой ткани эмбриона. Специфический характер экспрессии, определяемый каждым конкретным переключателем, зависит от специфического набора сигнатурных последовательностей в его ДНК.
Чтобы понять, какая информация заключена в переключателях, и оценить невероятное разнообразие переключателей, следует больше узнать о природе белковых продуктов генов развития и о сигнатурных последовательностях. После этого я покажу, какие широкие возможности открываются в результате использования одних и тех же инструментов в различных комбинациях. Точные математические расчеты для нас не столь важны, как понимание мощи и эффективности комбинаторной логики.
Сигнатурные последовательности, распознаваемые белковыми продуктами генов развития, состоят всего лишь из 6-9 пар оснований; иногда их чуть больше. В одном переключателе среднего размера может уместиться множество сигнатурных последовательностей. Вариаций сигнатурных последовательностей также существует множество. Последовательность из шести оснований четырех типов (А, С, G и Т) допускает 4096 перестановок (46), последовательность из семи оснований — 16 384 перестановки (47), а последовательность из восьми оснований — 65 536 перестановок (48). Белковый продукт каждого конкретного гена развития обычно узнает семейство сходных последовательностей. В сигнатурной последовательности в определенных пределах допустимы замены одного основания другим, но даже с учетом этого белковые продукты генов развития весьма избирательно связываются с последовательностями ДНК. Белковые продукты разных генов развития обычно распознают разные сигнатурные последовательности. Ниже представлен список нескольких белков генов развития и тех сигнатурных последовательностей, которые они узнают.
Pax-6 (eyeless) KKYMCGCWTSANTKMNY
Tinman TCAAGTG
Ultrabithorax TTAATKRCC
Dorsal GGGWWWWCCM
Snail CAGCAAGGTG
Где
R = A или G
У = С или Т
K = G или Т
M = А или С
S = С или G
N = A, С, G или Т
Набор генов развития животных кодирует несколько сотен ДНК-связывающих белков, причем эти белки имеют разные предпочтения при связывании с сигнатурными последовательностями. Количество возможных комбинаций сигнатурных последовательностей в переключателях просто астрономическое. Допустим, у животного имеется 500 ДНК-связывающих белковых продуктов генов развития. Тогда количество парных комбинаций сигнатурных последовательностей и соответствующих белков составляет 500 x 500 = 250 000. Количество тройных комбинаций составляет 500 х 500 х 500 = 12 500 000, а четверных комбинаций превышает шесть миллиардов. Этот расчет показывает мощь комбинаторной логики сочетания генов развития и генных переключателей. Огромное разнообразие переключателей является результатом использования одних и тех же сигнатурных последовательностей и генов развития в разных комбинациях. Альтернативный путь мог бы заключаться в использовании большего количества белков, однако использование разных комбинаций из 500 белков гораздо эффективнее, чем кодирование 250 000 различных белков (это примерно в десять раз больше числа белков, закодированных в нашем геноме).
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.
Полоска за полоской, косточка за косточкой: целое — это сумма многих частей
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.
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.
Изобилие переключателей
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.
Модульные переключатели для построения модульных организмов: как сделать повторяющиеся части разными
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).
Рис. 5.6. Альтернативные варианты экспрессии генов в передних и задних крыльях контролируются представителем семейства белков Hox. Прямые линии соответствуют переключателям, буквы — различным регуляторным белкам; буквой U обозначен белок Ubx. Различия в форме передних и задних крыльев объясняются разным набором активированных генов. Рисунок Джоша Клейса.
Та же логика действует при создании различных ромбомеров, позвонков и ребер у пресмыкающихся, а также различных типов конечностей у членистоногих. Различия в окончательной форме этих сериально гомологичных структур определяются Hox-белками, которые вызывают активацию определенных групп генов, участвующих в формировании конечностей, ромбомеров, позвонков и ребер в каждой точке вдоль основных осей тела.
"Монтаж" эмбриона: переключатели, цепи и сети
Я продемонстрировал работу генетических переключателей на примере одного переключателя одного гена, нескольких переключателей одного гена, а также группы переключателей, контролируемых одним белком. Однако все переключатели и белки, о которых я говорил, и все картины экспрессии, которые я показывал, — лишь отдельные кадры общего процесса. Весь процесс формирования животного — это огромное множество кадров, объединенных в невероятный, непрерывный кинофильм.
Форма тела и частей тела животного никогда не является результатом работы какого-то одного гена или переключателя. Части тела, ткани и типы клеток — все это продукты деятельности множества белков и переключателей, которые организуют морфогенез во времени и в пространстве, а также белков и других молекул, придающих клеткам и тканям их специфические физиологические и механические свойства. Процессы развития, которые осуществляются под контролем одних переключателей и белков, связаны с другими процессами, в которых принимают участие другие переключатели и другие белки. большие группы взаимосвязанных переключателей и белков образуют "цепи", которые, в свою очередь, являются частью еще более сложных "сетей", управляющих развитием сложных структур. Архитектура животных — продукт архитектуры генетических регуляторных сетей.
Схему или логику этих цепей и сетей можно изобразить с помощью диаграммы, какую используют для изображения электрических сетей или логических схем. Каждый переключатель — это точка принятия решения, узел генетической цепи. На рис. 5.7 схематически изображен ряд взаимосвязанных цепей, в которых задействовано только небольшое количество активаторов, репрессоров, переключателей и генов. Эта модель опять-таки отражает лишь часть значительно более сложной системы. Чтобы в деталях описать процесс создания дрозофилы, мне, вероятно, понадобилось бы не меньше тысячи страниц, а чтобы описать создание человека — несколько тысяч страниц. Регуляторные сети позвоночных более многочисленны (у нас в три раза больше типов клеток, чем у мух или других беспозвоночных), но на самом деле не более сложные.
Рис. 5.7. Схема регуляторной логики генетической сети. Активаторы (буквы в кружочках) и репрессоры (буквы в квадратиках) действуют на переключатели (прямые линии). Стрелки соответствуют активации, а линии, заканчивающиеся перпендикулярной чертой, означают репрессию. В построении и создании формы любой структуры обычно задействовано множество цепей активаторов и репрессоров. Рисунок Джоша Клейса.
Переключатели и разрешение парадокса набора генов развития
Биологи только начинают осознавать важную роль переключателей. Мы уже несколько десятилетий умеем читать генетический код и находить в ДНК закодированные последовательности белков. В рамках модели, где центральным действующим лицом является белок, гены воспринимались как фрагменты информации, рассредоточенные в огромном море "пустой" ДНК. Кроме того, было распространено мнение, что различия между животными в значительной степени связаны с различиями в количестве генов и характере их последовательностей. Но теперь мы начинаем понимать, что гены окружены множеством переключателей. Кроме того, из результатов секвенирования геномов стало ясно, что человек и мышь имеют почти одинаковое количество генов (около 25 000). Поскольку сходство кодирующих последовательностей оказалось столь велико, пришло время выяснить, какую роль в эволюции играют переключатели.
Узнав, какова логика генетических переключателей и насколько они разнообразны, мы готовы задуматься об их вкладе в эволюцию биоразнообразия. Серьезный парадокс, возникший после открытия похожих наборов генов развития у самых разнообразных животных, заключается в следующем: как объяснить создание столь разных форм на основе одинаковых генов? Разгадка этого парадокса нашлась в результате открытия серий переключателей, которые позволяют использовать один и тот же ген снова и снова, иногда слегка, а иногда — очень сильно отличающимися способами при развитии сериально гомологичных структур у одного и того же животного.
От понимания роли переключателей в развитии до осознания их вклада в эволюцию нас отделяет совсем небольшой шаг. Переключатели позволяют использовать одни и те же гены развития по-разному в организме разных животных. Поскольку отдельные переключатели представляют собой независимые устройства по обработке информации, эволюционные изменения одного переключателя гена развития или переключателя, контролируемого белковым продуктом гена развития, могут изменить ход развития одной структуры, не влияя на другие структуры. Здесь кроется ключ к пониманию эволюции модульных тел и частей тел животных: так, например, у нас эволюционировал большой палец руки, отстоящий от остальных пальцев, а у мух возникли характерные задние крылья. Многие удивительные загадки эволюции, о которых я расскажу в следующей части книги (от взрыва биоразнообразия в кембрийском периоде до потрясающего разнообразия живущих сегодня бабочек и млекопитающих), объясняются именно эволюционными изменениями генетических переключателей.