Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни - Ричард Докинз

Восемь Hox-генов собраны в два генных комплекса (кластера), физически разделенных на одной хромосоме. Это комплекс Antenna-pedia и комплекс Bithorax. (Оба названия крайне неудачны. Комплекс генов называют по одному члену этого комплекса, значение которого не больше, чем значение остальных. Хуже того, названия генов, как правило, определяются эффектом, который наблюдается при их нарушении, а не их нормальной функцией. Было бы уместнее назвать их, например, передним Hox-комплексом и задним Hox-комплексом.)

Кластер Bithorax состоит из трех последних Hox-генов, которые названы Ultrabithorax, Abdominal-A и Abdominal-B. Они отвечают за формирование задней части тела животного. Ultrabithorax экспрессируется с сегмента № 8 до заднего конца тела. Abdominal-A экспрессируется с сегмента № 10 до конца, а Abdominal-B – с сегмента № 13 до конца. Продукты этих генов синтезируются в уменьшающейся концентрации по мере движения к заднему концу тела животного от отправных точек. Поэтому, сравнивая концентрации продуктов трех Hox-генов, клетка в задней части личинки может узнать, в каком сегменте она находится, и вести себя соответствующим образом. Примерно то же происходит в переднем конце тела личинки, где работают пять Hox-генов из кластера Antennapedia.

Итак, назначение Hox-гена – определять свое положение в теле и информировать об этом другие гены в той же клетке. Теперь мы знаем достаточно, чтобы перейти к гомеозисным мутациям. Когда в работе Hox-гена что-то не так, клетки сегмента получают неверную информацию о своем местоположении, и тогда они выстраивают тот сегмент, в котором, как им кажется, они находятся. В результате получается, например, нога, растущая на сегменте, на котором в норме растет антенна. Это вполне логично. Клетки любого сегмента способны собрать любой другой сегмент. Почему бы и нет? Инструкции хранятся в клетках каждого сегмента. В нормальных условиях Hox-гены включают правильные инструкции. Как верно подозревал Бэтсон, гомеозисная аномалия служит ключом к разгадке нормальной работы системы.

У мух, в отличие от большинства насекомых, в норме лишь одна пара крыльев, дополненная парой гироскопических жужжалец. Гомеозисная мутация Ultrabithorax вводит в заблуждение клетки третьего грудного сегмента, заставляя их считать, будто они во втором грудном сегменте. Поэтому они кооперируются для создания дополнительной пары крыльев вместо пары жужжалец. Известен мутант мучного хрущака (Tribolium), у которого антенны на всех пятнадцати сегментах. Кажется, все клетки решили, что они во втором сегменте.

Мы подошли к самой удивительной части “Рассказа Дрозофилы”. После того как Hox-гены были обнаружены у дрозофилы, их стали находить не только у других насекомых, но почти у всех других животных, включая человека. И хотя звучит это неправдоподобно хорошо, у других животных эти гены чаще всего выполняют те же самые функции, вплоть до информирования клеток о том, в каком сегменте они находятся. Более того, эти гены расположены на хромосоме в одном и том же порядке. А теперь послушаем рассказ о млекопитающих, а именно о лабораторной мыши – коллеге дрозофилы.

Млекопитающие, как и насекомые, имеют сегментированный (блочный) план строения тела, который затрагивает позвоночник и связанные с ним структуры. Каждый позвонок можно рассматривать как соответствующий одному сегменту, но, помимо позвоночника, в теле есть и другие сегментированные структуры. Кровеносные сосуды, нервы, блоки мышц, хрящевые диски и ребра: все эти органы следуют повторяющемуся блочному плану. У млекопитающих, как и у дрозофилы, блоки расположены теми же продольными сериями. Как и у дрозофилы, составляющие тело модули единообразны, хотя и различаются своей спецификой. И, подобно телу насекомых, которое подразделяется на голову, грудь и брюшко, тело позвоночных состоит из шейного, грудного (верхняя часть позвоночника с ребрами), поясничного (нижняя часть позвоночника без ребер) и хвостового отделов. Как и у дрозофилы, клетки, из которых сложены кости, мышцы, хрящи и так далее, должны “знать”, в каком отделе они находятся. Узнают они это от Hox-генов, явно соответствующих Hox-генам дрозофил. Правда, те далеко не идентичны, и это неудивительно, учитывая возраст сопредка № 26. И, опять-таки, как у дрозофилы, Hox-гены расположены на хромосоме в определенном порядке. Модульная организация тела позвоночных очень отличается от таковой насекомых, и нет причин считать, будто их общий предок, встреченный нами на рандеву № 26, имел сегментированное тело. Тем не менее, анализ Hox-генов показывает, что существует глубинное сходство в плане строения тела насекомых и позвоночных, позаимствованном у сопредка № 26. Этот общий план угадывается в вариациях даже у несегментированных животных.

У мыши Hox-гены располагаются не на одной хромосоме. У нее имеется четыре разных серии Hox-генов: а на хромосоме № 6, b на хромосоме № 11, c на хромосоме № 15, d на хромосоме № 2. Их сходство указывает на то, что они возникли в результате дупликации: ген а4 соответствует b4, который соответствует С4, который соответствует d4. Кроме того, имеются и делеции: некоторые участки в каждой серии отсутствуют. Так, гены а7 и b7 соответствуют друг другу, однако в сериях c и d нет претендентов на вакансию № 7.

В том случае, если на один сегмент приходится два, три или четыре различных Hox-гена, их действие складывается. И, как и у дрозофилы, мышиные Hox-гены наиболее заметно проявляют себя в первом (переднем) сегменте тела, а чем ближе к заднему концу, тем экспрессия становится меньше.

За малыми исключениями, каждый из восьми Hox-генов дрозофилы сильнее походит на аналогичный ген в мышиных сериях, чем на семь других генов в “своей” серии. К тому же порядок их расположения на хромосомах более или менее одинаков. Для каждого из восьми генов дрозофилы имеется по меньшей мере одно соответствие среди тринадцати мышиных генов. Как объяснить такое точное совпадение генов мыши и дрозофилы? Только общим происхождением – от сопредка № 26, прародителя и первичноротых, и вторичноротых. Следовательно, огромное множество животных – это потомки существа, в организме которого имелись Hox-гены, расположенные на хромосоме в том же порядке, что у современной дрозофилы и позвоночных. Подумать только!

Повторюсь: отсюда не следует, что тело сопредка № 26 было сегментированным (скорее всего, это не так). Однако у него явно присутствовал некий морфологический градиент от головы к хвосту, организованный серией гомологичных Hox-генов. Поскольку сопредки давно мертвы и уже ничем не способны помочь молекулярной биологии, любопытно поискать Hox-гены у их потомков. Сопредок № 23 – наш общий с ланцетниками прародитель. Учитывая, что у далекой в родственном отношении дрозофилы есть та же передне-задняя серия генов, что у млекопитающих, было бы удивительно, если бы у ланцетников ее не оказалось.

Этим вопросом занялся Питер Холланд и его коллеги. Полученные результаты полностью оправдали затраченные усилия. Оказалось, что блочный план строения тела ланцетника управляется четырнадцатью Hox-генами, которые выстроены в правильном порядке вдоль хромосомы. Как и у дрозофилы (но не как у мыши), эти гены образуют одну серию – а не четыре параллельных. Предположительно весь кластер когда-то дуплицировался четыре раза на линии, ведущей от сопредка № 23 к современным животным, что сопровождалось случайными потерями некоторых генов.