Еще несколько уроков смирения от плодовой мушки: набор генов развития

Части тела дрозофилы не очень похожи на наши. У нас нет антенн и крыльев, у нас одна пара подвижных глаз, а вовсе не неподвижные фасеточные глаза, состоящие из 8оо ячеек. Наша кровь перекачивается четырехкамерным сердцем по замкнутой системе артерий и вен, а не просто плещется в единой полости. Мы передвигаемся на двух длинных ногах с прочными костями, а не на шести тонюсеньких лапках. Короче говоря, анатомия у нас абсолютно разная, поэтому трудно себе представить, что дрозофилы могут помочь нам в понимании того, как формируются наши собственные ткани и органы. Действительно, ученые предполагали, что некоторые структуры, такие как глаза, с их разнообразным анатомическим строением и оптическими характеристиками, в ходе эволюции животных возникали практически с нуля не менее сорока раз.

По этой причине изучение генов, ответственных за построение глаз дрозофил, не вызывало большого интереса. Но когда ученые из лаборатории Вальтера Геринга клонировали ген eyeless (безглазый — англ.), названный так по той причине, что при его мутации дрозофилы не имеют глаз, оказалось, что аналогичный ген уже известен у человека. Человеческий ген называется Aniridia (Аниридия). Его так назвали, поскольку его мутация приводит к уменьшению размера или, в тяжелых случаях, к полному исчезновению радужной оболочки глаза (ириса). Aniridia — это тот же самый ген, который у мыши известен как Small eye (Маленький глаз) и чья мутация приводит к аномалии или отсутствию глаз. Это открытие было достаточно интригующим, поскольку наши глаза камерного типа и сложные глаза дрозофилы имеют совершенно разную структуру и адаптированы к разным нуждам. Почему в формировании столь разных глаз участвует один и тот же ген? Что это — совпадение или нечто большее?

К ответу на этот вопрос нас приблизили два других эксперимента. Когда в результате специальных манипуляций ген eyeless включали в других частях тела мушки, ткани глаза появлялись на крыльях, ногах и в других местах (рис. 3.6). Этот факт, а также отсутствие глаз у мутантов с поврежденным геном eyeless показали, что этот ген является мастер-геном, т.е. ключевым геном для развития глаза. Без него образования глаза не происходит, а там, где он активен, ткань развивается в структуры глаза. Во втором эксперименте мышиный ген Small eye заставляли экспрессироваться в "неправильных" местах тела дрозофилы. Как вы думаете, что произошло?

Рис. 3.6. Мастер-ген eyeless контролирует формирование глаза. Нормальная голова дрозофилы с крупным фасеточным глазом (а); мутация гена eyeless у дрозофилы приводит к потере глаза (б); индукция развития глазной ткани на крыле у дрозофилы в результате экспрессии гена eyeless в крыле (в). Фотографии предоставлены Джорджем Холдером. Онкологический центр Андерсона, Хьюстон.

Результат был таким же, как и в эксперименте с геном дрозофилы — ткани дрозофилы начали образовывать структуры глаза. Однако важно заметить, что ткани образовывали структуры глаза дрозофилы, а не мыши. Так что, хотя все гены были похожими и их экспрессия оказывала похожее действие, окончательная форма структуры зависела от контекста развития, т.е. от вида организма-хозяина, а не от происхождения гена. Мышиный ген индуцировал мушиную программу развития глаза.

Гены eyeless, Aniridia, Small eye имеют общее, менее выразительное название — Рах-6. Происхождение этого названия не слишком важно, а вот распространение данного гена в царстве животных и его связь с развитием глаз очень важны. Оказалось, что ген Рах-6 связан с развитием глаз самых разных типов — простых, как у плоских червей, и гораздо более сложных, как у позвоночных. Объяснить связь гена Рах-6 с развитием глаз у животных можно двумя способами. С одной стороны, использование этого гена для построения глаз у различных животных могло быть случайным совпадением. С другой стороны, он мог использоваться для построения глаз у какого-то очень древнего общего предшественника всех животных, и его функция сохранилась на протяжении всей эволюции царства животных. Прежде чем выбрать правильный ответ, отметим еще более удивительные совпадения в развитии различных животных.

В моей лаборатории мы всегда интересовались проблемой происхождения и эволюции конечностей, поскольку ноги, крылья и плавники — это основные адаптационные приспособления для тех животных, у которых они есть. Несколько лет назад мы изучали роль гена Distal-less (сокращенно D//), название которого связано с тем, что при его мутации у дрозофилы не развиваются дистальные (наиболее удаленные от тела) участки конечностей. Мы хотели узнать, существует ли подобный ген у других видов животных. Мы с радостью обнаружили, что Dll также используется для формирования дистальных частей конечностей бабочки, а также ракообразных, пауков и многоножек. Это говорит о том, что Dll участвует в формировании конечностей у всех членистоногих. (Кроме того, наша статья помогла журналисту Дэвиду Бэрри объяснить читателям, почему он не ест омаров — потому что они, на самом деле, просто крупные насекомые. Не слишком изящный или корректный эволюционный аргумент, но мы оценили внимание к нашей работе.) Поскольку все эти животные относятся к одному типу и имеют сходное строение членистых конечностей, использование ими гена Dll имеет смысл. Неожиданностью оказалось другое открытие, сделанное нами и нашими коллегами при изучении конечностей животных, не состоящих в близком родстве с членистоногими.

Мы обнаружили, что ген Dll принимает участие в формировании любых отростков, отходящих от тел животных. Сюда относятся куриные ноги, рыбьи плавники, конечности морских червей (параподии), ампулы и сифоны асцидий и даже трубчатые ножки морских ежей. Как и ген Pax-6, ген Dll — пример мастер-гена, вовлеченного в создание весьма разнообразных структур, общим свойством которых является только связь с туловищем животного. Все упомянутые животные относятся к различным ветвям филогенетического древа. Поэтому роль Dll в эволюции конечностей, по-видимому, можно интерпретировать так же, как роль Рах-6 в эволюции глаз. Либо эволюция обращалась к помощи гена Dll независимо множество раз, чтобы с нуля создавать конечности животных, либо этот ген служил для создания каких-то отростков на теле древнего общего предка и эта функция гена была неоднократно использована на протяжении эволюции животных.

Между генами и структурами позвоночных и дрозофил было обнаружено еще много общего. Я приведу один пример. В верхней части тела дрозофилы располагается сердце, сокращение которого приводит к перекачиванию крови по телу. У мух незамкнутая система кровообращения, т.е. кровь, омывающая ткани, не заключена в сосуды. В нашем понимании их сердце мало напоминает сердце, но все же оно выполняет свою работу. Генетики обнаружили ген, необходимый для формирования сердца мухи, и назвали его tinman (в честь Железного дровосека, персонажа сказки "Волшебник из страны Оз", у которого не было сердца).

Неожиданностью стало обнаружение у млекопитающих нескольких версий гена tinman, скромно названных NK2. Выяснилось, что эти гены играют важную роль в формировании сердца позвоночных, включая нас с вами. Несмотря на значительные различия в анатомическом строении сердца и системы циркуляции крови, мухи и позвоночные используют для разметки и формирования своих сердец однотипные гены.

Нужно добавить еще кое-что. Белки из семейств Рах-6, Distal-less и Tinman у дрозофил, позвоночных и других животных содержат гомеодомены. Таким образом, все они являются ДНК-связывающими белками. Эти гомеодомены похожи на гомеодомены белков Hox, но не идентичны им. Теперь мы знаем, что существует около двух десятков семейств гомеодоменов. Белки Hox, Pax-6, Dll и Tinman относятся к четырем различным семействам. Белки Рах-6 различных животных похожи друг на друга больше, чем на белки из других семейств гомеодоменных белков. Аналогичным образом, белки Hox, Dll и Tinman также имеют больше сходства с членами своего семейства, чем с белками из других семейств. Различие между семействами гомеодоменов отражает разницу в их функциональной специфичности (они связываются с разными последовательностями ДНК). Поскольку все они связываются с ДНК и оказывают столь сильное влияние на развитие органов или конечностей, можно утверждать, что они регулируют включение и выключение генов, участвующих в развитии глаз, ног или сердец соответственно. Их значительное влияние на развитие организма связано с регуляцией активности большого количества генов, с действием на ранних этапах развития или и с тем и с другим (в любом случае, без них развития органа или части тела не происходит).