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.