Особенные гены для особенных задач
Генетики часто используют в работе плодовую мушку. Как следствие, для неё известно впечатляющее количество нарушений в разных генах — мутаций. Мутации эти были выявлены в основном по изменению внешнего вида мухи. Например, есть гены, продукты которых — белки, синтезирующие красный пигмент в глазах насекомого. Благодаря этим генам у плодовой мушки дикого типа глаза красные. Если один из таких генов отключить, глаза лишатся пигмента и мухи-мутанты будут белоглазыми. Повреждения тех или иных генов могут вообще лишить насекомое глаз, или щетинок, или окраски тела. Но есть мутации, эффект от которых намного более драматичен.
В конце 40-х годов ХХ века биологам попалась муха с ногами вместо антенн на голове. Ноги на голове — это уже не просто другой цвет глаз! Такое происшествие — не «потеря чего-то», а «превращение одного в другое». Или ещё пример. Мушиная грудь состоит из трёх сегментов, на втором из которых располагаются крылья. Известны мутанты, у которых третий сегмент груди превращён во второй, и муха имеет две пары крыльев. Вы не задумывались, как появились четырёхкрылые бабочки? Их предкам было достаточно сохранить мутации, приводящие к развитию лишних, но столь пригодившихся им крыльев.
Мутации, вызывающие превращение одних частей тела в другие, назвали гомеозисными (от лат. homеo — подобный). Можно определить, где произошла та или иная мутация, и выяснить, какой именно ген она повредила. Такие гены были найдены, их тоже назвали гомеозисными. Насколько эти гены распространены у живых организмов и можно ли найти их у человека? Явные следы сегментации тел млекопитающих остались в строении скелета. Вы знаете, что бывают люди, у которых обе челюсти — верхние? Что можно легко превратить спинные позвонки мыши в грудные, выключая определённые гены? Подобно тому как мухе можно «подарить» вторую пару крыльев, мыши можно легко обеспечить дополнительную пару рёбер. И не одну. Это тоже результат мутаций в гомеозисных генах. Как выяснилось, они есть у всех многоклеточных организмов.
Раскрой мне свои гомеозисные гены, и я скажу, кто ты
Вообще говоря, где грань между мутацией и нормой? Вы обидитесь на слова о лишней паре крыльев, если вы бабочка. Замечания об избыточных ногах, возможно, расстроят креветку. А у неё просто работает ген, который у мухи отключён, и потому она имеет не шесть ног, а десять.
Гомеозисные гены у всех организмов очень похожи. Вероятно, с задачей планирования своего тела столкнулось уже первое многоклеточное животное. И решение этой задачи унаследовали все современные животные. Например, у мучного жука есть восемь гомеозисных генов, которые расположены в геноме поблизости друг от друга — в составе одного генного кластера. У плодовой мушки таких генов тоже восемь, но расположены они двумя группами далеко друг от друга. Вероятно, такая ситуация возникла из-за хромосомной перестройки, в результате которой исходный комплекс разделился надвое, но сохранил работоспособность. Большинство насекомых в этом смысле похожи на мучного жука. Похожа на мучного жука и мышь. У неё группа гомеозисных генов, аналогичная генам насекомых, расположена в едином кластере. Только таких кластеров — четыре. Очевидно, они возникли в результате последовательного удвоения одиночной предковой группы генов. Гомеозисных генов у мыши в несколько раз больше, чем у мухи, но все они похожи на восемь мушиных и, вероятно, возникли за счёт удвоения исходных генов и последующей самостоятельной эволюции.
В целом просматривается связь: чем сложнее устроен организм животного, тем больше у него гомеозисных генов. Так, у всех беспозвоночных есть только один содержащий их кластер. При этом у таких примитивных организмов, как губки, в нём всего один либо два гена. А вот у примитивных позвоночных — миног — уже четыре кластера, как у мыши. Кстати, первые гомеозисные мутации были обнаружены и описаны у растений… Например, на месте лепестков могут появляться тычинки.
Сферы влияния
Гомеозисные мутации у плодовой мушки обнаружили давно, в начале XX века, и с тех пор описали большое их количество. Как позже выяснилось, не все они расположены в генах. Но тогда генетики ещё не знали, что же, если не гены, может быть повреждено мутациями. Понимание принципов работы гомеозисных генов росло параллельно с развитием биологии, и едва ли не всем новым фактам о работе генома находилось место в кластерах гомеозисных генов. Часто изучение самих гомеозисных генов рождало новые знания, — многие генетические механизмы впервые были показаны именно на них. Попробуем разобраться, к чему это привело.
Лучше всего изучен комплекс гомеозисных генов плодовой мушки Bithorax («двойная грудь»), названный по найденной в нём мутации, которую обнаружили почти сто лет назад, в 1915 году. Bithorax-комплекс — это отделившаяся часть единого предкового комплекса гомеозисных генов. Он ответственен за развитие задних двух третей тела мухи. Первая треть тела контролируется другой частью разделившегося кластера — комплексом Antennapedia («ноги-вместо-антенн»). Может, не очень понятно, почему целый комплекс, отвечающий за формирование первой трети тела, назван в честь головных антенн, но слишком уж была примечательна мутация, превращающая антенны в ноги.
Когда разных мутаций в Bithorax-комплексе обнаружили несколько десятков, удалось вывести соответствие между их положением в геноме и частью тела мухи, в которой возникает нарушение. В комплексе всего три гена. Но именно они определяют строение девяти сегментов тела. Более удивительно, что многие участки Bithorax-комплекса, влияющие на целый сегмент, вообще лишены генов. Число таких участков влияния соответствует числу сегментов тела, подчинённых Bithorax-комплексу.
С развитием методов молекулярной биологии в 80-е годы XX века выяснилось, что в разных сегментах тела три гена Bithorax-комплекса работают по-разному. Стало очевидно, что работа генов эукариот (организмов, чьи клетки содержат ядра) может регулироваться отдалёнными участками ДНК, в которых генов нет. В этих участках могут находиться последовательности-энхансеры*, усиливающие работу гена, либо последовательности-сайленсеры**, способные работу гена прекратить. Причём энхансеры и сайленсеры сами могут быть отрегулированы: в каких-то тканях быть выключенными, а в каких-то других работать. Каждый цветной блок на рисунке вверху — это кластер регуляторных последовательностей, ключевых для правильного развития соответствующего сегмента тела. Именно под их управлением работа трёх генов Bithorax-комплекса различна в каждом сегменте. В свою очередь за счёт уникального сочетания продуктов гомеозисных генов в каждом сегменте они развиваются по-разному. Как так получается, что в каждом сегменте тела работает только свой уникальный регуляторный участок ДНК для гомеозисных генов? Сейчас этот вопрос активно изучается, но чёткого ответа на него пока нет.
Продукты гомеозисных генов — белки, которые связываются с ДНК и влияют на работу других генов. В результате «под ними» работают десятки генов, уникальная настройка которых позволяет выпустить крылья или отрастить ноги. Итак, понятно, как за счёт разной работы гомеозисных генов в теле появляется с десяток сегментов (в каждом из которых эти гены работают по-своему), но непонятно, за счёт чего возникают различия внутри сегмента. Почему, например, такие разные части тела, как крылья и ноги, находятся в одном сегменте? Ответ кроется в структуре регуляторных участков Bithorax-комплекса. Они включают энхансеры и сайленсеры для гомеозисных генов. В каждом сегменте тела главную роль играет один из регуляторных участков, но в разных тканях этого сегмента он ведёт себя по-разному, поскольку в разных тканях активны разные энхансеры и сайленсеры. Так один регуляторный участок может обеспечить тонкие различия в работе гомеозисных генов в каждом типе тканей одного сегмента. Откуда регуляторная ДНК «знает», в какой ткани ей работать, а в какой молчать? Скажем лишь, что она знает это намного лучше нас… У нас же на этот счёт есть лишь ряд гипотез.
Планы изменились
Сотни миллионов лет эволюция «лепила» животных, меняя их тела. Комплексы гомеозисных генов — ключевая деталь в конструкторе тела. Чтобы поверить, что этот конструктор способен на самые разные фокусы, можно взглянуть на муху и, скажем, кита.
Вам уже надоел детский Лего? Конечно, до создания новых тел ещё далеко и последствия таких действий неочевидны, но мы постепенно начинаем разбираться в правилах сборки. Можно идти путём эволюции. Например, чтобы понять, что требуется для образования конечностей, можно попробовать сравнить работу гомеозисных генов у рыб и мышей. Как считается, наши руки и ноги в ходе эволюции возникли из плавников. Было замечено, что активность одного из гомеозисных генов у мышей выше, чем у рыб. Исследователи предприняли попытку усилить его работу у рыб в надежде, что их плавники станут похожими если и не на мышиные лапы, то хотя бы на их примитивный аналог. В новых условиях костная ткань в плавниках развивалась активнее, форма плавников стала округлой и более близкой к форме лап. Конечно, это лишь намёк на настоящие ноги. Скорее всего, на пути к выходу на сушу у рыб менялась не только работа самих гомеозисных генов, но и ответ на неё других генов.
За последние сто лет, прошедшие со времени открытия первых мутантных мух с ногами на голове и лишними крыльями, мы поняли, почему подобные изменения возникают. Мы даже можем планомерно влиять на строение тела мухи, мыши или рыбы, меняя их геном. При этом до полного понимания того, как строение тела записано в геноме, ещё далеко. Но по крайней мере теперь мы можем многое сказать на тему, почему муха так непохожа на слона.
Комментарии к статье
* Энхансеры (от англ. enhance — усиливать) — последовательности ДНК, связывающие белки-активаторы и способные усиливать работу генов.
** Сайленсеры (от англ. silence — подавлять) — последовательности ДНК, связывающие белки, негативно влияющие на работу окружающих генов.
