Геном

Из этого открытия следуют два основных вывода: один эволюционный, а другой прикладной. С точки зрения эво­люции становится очевидной общность происхождения многоклеточных организмов от одного предка, в котором более 530 млн лет тому назад уже использовался точно та­кой механизм управления развитием эмбрионов. Данный механизм оказался настолько удачным, что он сохранил­ся неизменным во всех ветвях эволюции, идущих от этого ствола. Все современные организмы, даже такие причудли­вые, как морские ежи, содержат в геномах одни и те же кла­стеры гомеозисных генов. Как бы ни отличались мы от мухи или морского ежа, наши эмбрионы развиваются по одному и тому же механизму. Невероятный консерватизм генов эм­бриогенеза оказался полной неожиданностью абсолютно для всех. Прикладной аспект открытия состоял в том, что появилась уверенность в возможности использования зна­ний о генетике дрозофилы, накопленных в течение десяти­летий, для объяснения и изучения работы генома человека. До сих пор ученые знают гораздо больше о генетике дрозо­филы, чем человека, поскольку геном мухи гораздо компак­тнее. При этом всегда были сомнения по поводу того, при­менимы ли закономерности, выявленные на дрозофилах, к человеку. Теперь мы видим, что базовые генетические ме­ханизмы оказались более консервативными, чем это можно было предположить. Появилась возможность сквозь призму генома дрозофилы пролить свет на геном человека.

Поразительное сходство было обнаружено между другими генами, участвующими в управлении развитием эмбриона. Раньше считалось, что голова — это изобретение хордовых, у которых появились специальные гены, контролирующие развитие черепно-мозговой коробки на передней оконеч­ности тела. Но теперь стало известно, что две пары генов мыши, контролирующих развитие мозга — Ofoси Етх, — в точ­ности соответствуют генам дрозофилы, которые так же кон­тролируют развитие головы мухи. ген дрозофилы, неспра­ведливо названный геном безглазия, который управляет раз­витием глаз мухи, оказался идентичным соответствующему гену мыши, которому присвоили имя рах-6. Геномы мыши и человека настолько похожи, что все сказанное выше также применительно к человеку. Муха и человек — это всего лишь вариации проекта построения тела, который был разрабо­тан еще у нашего червеобразного общего предка, жившего в кембрийский период. У всех его предков одни и те же гены выполняют определенную работу. Конечно, есть различия, иначе нас нельзя было бы отличить от мух. Но разительные внешние отличия оказались результатом незначительных вариаций основного механизма. 

Исключения оказались даже более убедительными, чем само правило. Например, у мухи есть два гена, которые управ­ляют дифференциацией спинной (дорзальной) и брюшной (вентральной) частей тела. Один ген называют декапента- пмгальным— т.е. экспрессия этого гена указывает клеткам, что они находятся в дорзальной части тела и им следует раз­виваться соответствующим образом. Другой ген называют коротким гаструлярным, и он оказывает на клетки противо­положное влияние. У лягушек, мышей и, с высокой долей вероятности, у нас с вами, есть точно такие же гены. «Текст» одного гена — ВМР₄ — напоминает «текст» декапентаплегаль- ного гена дрозофилы, а другой ген — chordin— соответствует короткому гаструлярному гену. Но что удивительно, у мыши­ных генов направленность действия противоположная по сравнению с мушиными аналогами. Ген ВМР₄ управляет раз­витием вентральной части тела, а ген chordin — дорзальной. Это говорит о том, что артроподы и хордовые перевернуты с живота на спину по отношению друг к другу. Когда-то у них был общий предок, у которого уже был вентрально-дорзаль- ный диморфизм тела. Одни из его потомков стали ползать на животе, а другие — на спине. Сейчас трудно ответить на вопрос, у кого «правильная» сторона тела. Видимо для на­шего далекого предка было безразлично, на какой стороне ползать. Это потом у его потомков появились конечности с той стороны, где они были нужны. Задержимся немного на этом месте, и отдадим должное великому французскому ис­следователю Этьену Жоффруа Сент-Илеру (Etienne Geoffroy St Hilaire), который еще в 1822 году предположил данный феномен, исходя из своих наблюдений за развитием эм­брионов, а также по тому факту, что центральный нервный ствол у насекомых находится с брюшной стороны, а у хор­довых— со спинной. В течение 175 лет эта гипотеза отвер­галась. Ученые полагали, что нервные системы хордовых и насекомых просто возникли и развивались параллельно и независимо друг от друга. Но теперь стало ясно, что Сент- Илер был прав (Arendt D., Nubler-Jung К. 1994. Inversion of the dorso-ventral axis? Nature 371: 26).

Сходство между генами развития оказалось настолько поразительным, что ученые смогли поставить экспери­менты, которые раньше никто не мог даже вообразить. Оказалось возможным разрушить с помощью целенаправ­ленного мутагенеза один из гомеозисных генов дрозофилы и вставить в яйцеклетку соответствующий ген человека. Из яйцеклетки развилась нормальная муха. Данный экспери­ментальный метод называется генетическим комплементи- рованием. Нох-тен из генома человека оказался комплемен­тарным гену мухи. Точно так же комплементарными оказа­лись мышиные гены Otx и Em:с. Чужие регуляторные гены работали настолько хорошо, что по внешнему виду невоз­можно было отличить, в каких мушках работали собствен­ные гены и в каких — чужие (Sharman А. С., Brand М. 1998. Evolution and homology of the nervous system: cross-phylum rescues of old/Otx genes. Trends in Genetics 14: 211-214).

Это был триумф гипотезы о цифровой природе генети­ческого кода. Гены— это программные модули, которые можно запустить в любой системе, поскольку в них исполь­зован один и тот же программный код и они выполняют одну и ту же работу. Даже через 530 млн лет независимого развития наши «компьютеры» могут распознать и запу­стить «мушиные программы» и наоборот. Аналогия живо­го организма с компьютером оказалась довольно удачной. Время кембрийского эволюционного взрыва 540-520 млн лет тому назад было временем экспериментирования с ди­зайном многоклеточных организмов, точно так же, как 80-е годы прошлого столетия были временем экспериментиро­вания с архитектурой компьютеров. В раннем кембрии, ве­роятно, возникли первые гомеозисные гены. Счастливые обладатели этих генов стали общими предками для хордо­вых, насекомых и многих других организмов, населяющих сейчас нашу планету. Нашими родоначальниками были округленные плоские черви (roundish flat worm — гипотети­ческое промежуточное звено между плоскими и более со­вершенными кольчатыми червями), копошившиеся в дои­сторической грязи кембрия. На тот момент, вероятно, они были лишь одной из многочисленных форм жизни, но их потомки унаследовали всю землю. Трудно сказать, были го- меозисные гены лучшим техническим решением или про­сто хорошо был поставлен маркетинг, и кто в кембрии вы­ступал за Apple, а кто за Microsoft?

Давайте ближе познакомимся с одним из Нож-генов на хро­мосоме 12.ген С₄ человека является аналогом гомеозисного гена dfdy дрозофилы, и у мухи он контролирует развитие ро­товой части головы. «Текст» этого гена у человека подобен соответствующим генам в остальных трех Нолмсластерах: А₄, В₄ и D₄, — а у мыши этим генам соответствуют свои гены в че­тырех кластерах: а₄, Ь₄, с₄ и d₄. У эмбрионов мыши эти гены работают в клетках, из которых затем развивается шейный отдел: шейные позвонки и нервная трубка спинного мозга внутри их. Если с помощью направленной мутации разру­шить один из этих генов, то один или несколько шейных позвонков окажутся измененными. Изменения в позвонках довольно специфичны. Все шейные позвонки в норме от­личаются друг от друга. Измененный позвонок будет выгля­деть так же, как предшествующий позвонок. Другими слова­ми, гены Нох₄ нужны для того, чтобы сделать последующий позвонок отличным от предыдущего. Если разрушить два гена Нох₄, то половина позвонков окажутся измененными, если три — изменения затронут еще большее число позвон­ков. Получается, что четыре гена оказывают на развитие шейного отдела позвоночника кумулятивный эффект. В на­правлении от головы к копчику гены поочередно включа­ются в работу и дорабатывают базовый дизайн позвонка до той формы, которая требуется в данной части организма. Благодаря наличию четырех пар генов организм человека и мыши более надежно контролирует процесс развития, чем единственный //ож-кластер у дрозофилы.

Также стало понятно, почему у позвоночных число ге­нов в Нохмсластере доходит до 13, а у дрозофилы их все­го восемь. У позвоночных есть еще хвост — продолжение позвоночника над анальным отверстием— с множеством своих позвонков. У насекомых такого сложно организо­ванного хвоста нет. Дополнительные гены в кластере Нох у человека и мыши, которых нет у дрозофилы, нужны для программирования позвонков хвоста или копчика. В ходе эволюции, когда наши обезьяньи предки лишились хвоста, произошло ингибирование соответствующих генов, кото­рые работают у мыши.

Мы подошли к наиболее интригующему вопросу: почему у всех организмов гены в кластере Нох упорядочены стро­го определенным образом — первый ген для головы, а по­следний для хвоста? Окончательного ответа на этот вопрос пока нет, но есть правдоподобные гипотезы. Первый ген в кластере не только включается в переднем отделе тела, но и первым из генов кластера включается в работу. Таким об­разом, к множеству генов, включаемых первым Нох-теном, следует также отнести второй Нох-ген, и так по цепочке. Действительно, развитие эмбрионов всех организмов на­чинается с головы. Следовательно, гены в кластере Нох рас­положены в той последовательности, в которой они вклю­чаются в работу. Гены как бы передают эстафетную палочку друг другу. Если мы рассмотрим усложнение организма жи­вотных в ходе эволюции, то увидим, что эволюция шла в том же направлении: постепенно усложнялись конечности и за­дняя часть туловища, тогда как голова оставалась головой. Так что в последовательности Нох-генов отображается так­же эволюция видов, что соответствует известному утвержде­нию Эрнста Геккеля (Ernst Haeckel): «онтогенез повторяет филогенез», т.е. эмбрион развивается в той последователь­ности, в какой происходило развитие и усложнение предко- вых форм этого вида (Duboule D. 1995. Vertebrate hox genes and proliferation — an alternative pathway to homeosis. Current Opinion in Genetics and Developments. 525-528; KrumlaufR. 1995. Hox genes in vertebrate development. Cell78: 191-201).

 Эрнст Геккель (1834-1919), немецкий зоолог, основопо­ложник биологии индивидуального развития и экологии. Известен также своими расистскими взглядами, вдох­новлявшими Гитлера во время написания Mein Kampf. Онтогенез — развитие отдельной особи; филогенез — про­исхождение и эволюция вида.

//ox-гены лишь дают отмашку развитию эмбриона, уста­новив для него оси развития от головы к хвосту и от спины к животу. За счет последовательного, растянутого во време­ни включения генов гомеозисного кластера каждый из них работает в своем сегменте тела. Теперь уже по сегментам каждый Нох-ген запускает каскад регулируемых им генов развития, многие из которых сами являются регулятора­ми других генов. Благодаря этому сегменты тела развива­ются по своему индивидуальному плану и отличаются друг от друга. Так, одни сегменты превращаются в конечности, другие — в крылья. Полиморфизм органов и частей тела достигается не только за счет многообразия регуляторных генов, но и за счет того, что один и тот же сигнал по-раз­ному интерпретируется в разных частях тела. Возьмем, на­пример, уже знакомый нам декапентаплегальный (decapent- aplegic) ген дрозофилы. Синтезируемый под его контролем регуляторный белок управляет как развитием лапок мухи, так и развитием крыльев. Этот ген, в свою очередь, запу­скается белком другого гена, называемого hedgehog (ежик). Работа этого белка состоит в том, что он взаимодействует с другим белком, блокирующим промоторную часть декапен- таплегального гена, и заставляет его освободить промотор и разблокировать ген. Ген hedgehog относится к так называ­емым сегментно-полярным генам, т.е. он работает во всех сег­ментах тела, но только в их дистальных (краевых) частях. Если в эмбрионе мушки дрозофилы в сегменте, в котором образуются крылья, перенести частицу из края сегмента в среднюю часть, то у мухи вырастут «зеркальные» крылья с двумя сросшимися фронтальными половинками посреди­не и двумя задними опахалами по краям.

Вас уже не удивит, что у гена hedgehog есть аналоги в ге­номах как человека, так и птиц. У нас и у куриц есть три похожих гена: sonic hedgehog (Зоник Хеджхог), Indian hedgeh­og (индийский еж) и desert hedgehog (пустынный еж), выпол­няющих одну и ту же работу. (Из-за названий генов может возникнуть впечатление, что генетики страдают больным воображением. В генетических каталогах вы найдете гены с именами tiggywinkle (прыгающий моллюск) и целые семей­ства генов с общим именем warthog (бородавочник, или в данном случае, скорее, «бородавчатая свинья») и groundhog (имя гена можно перевести как «земляная свинья», но так по-английски называются многие животные — от сурка до трубкозуба). Что касается генов-ежиков, то такое название они получили по внешнему виду мушки дрозофилы с де­фектным геном hedgehog.) Точнотакже, какудрозофилы, на­значение гена sonic hedgehog и его партнеров состоит в том, чтобы установить в конечностях оси фронтально-дорзаль- ной асимметрии. У эмбриона сначала формируются сим­метричные отростки конечностей и только под влиянием генов семейства hedgehog происходит дифференциация ко­нечности на переднюю и заднюю части. На куриных эмбри­онах проводили следующий эксперимент. В строго опреде­ленное время микроскопический комок эмбриональных клеток смачивали в суспензии белка хеджхог и аккуратно под микроскопом вставляли в среднюю часть почки буду­щего крыла у 24-часового куриного эмбриона. В результа­те точно так же, как у дрозофилы, вырастали сдвоенные крылья. Каждое из них представляло собой пару крыльев, сросшихся фронтальной частью с оперением, торчащим вперед и назад от средней линии крыла.

Имя hedgehog (ежик) носит целое семейство генов инди­видуального развития. Первый ген этого семейства был обнаружен в 1978 году нобелевскими лауреатами Эриком Вишаусом (Eric Wieschaus) и Кристианой Нюссляйн- Фолхард (Christiane N sslein-Volhard). Такое название было предложено, поскольку мутантная мушка дрозо­фила была покрыта мелкими щетинками, делающими ее похожей на ежа. Все остальные гены hedgehog названы по видовым названиям ежей, за исключением гена sonic hedgehog, названного так в честь героя компьютерных игр кота Sonic the Hedgehog.