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.