Эво-дево
Шон Кэррол, Калифорнийский технологический институт: «Все сложные животные — мухи, мухоловки, бабочки, зебры и люди — несут одинаковый "набор инструментов”, или "основные гены”, управляющие формированием и структурированием их тел»
В микроскопе ранние зародыши всех млекопитающих настолько схожи, что их невозможно различить. Даже опытный глаз не определит, вырастет комок клеток в мышь, корову или человека. Все зародыши формируются в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки, несущих по половине генома, и в первые несколько дней жизни в утробе развитие протекает одинаково.
С эволюционной точки зрения это неудивительно. Люди и мыши разошлись всего 75 миллионов лет назад, и вполне логично, что наше раннее эмбриональное развитие похоже. Однако люди и плодовые мушки более дальние родственники. Мы позвоночные, они нет, и наш последний общий предок — по-видимому, что-то вроде «кругловатого плоского червя» — не существует уже 500 миллионов лет.
Однако новая наука — эволюционная биология развития, или, кратко, эво-дево (от английского названия науки), показала, что на генетическом уровне люди и мушки удивительно похожи. Несмотря на многочисленные физиологические различия, многие гены, строящие наши тела, не просто схожи, но идентичны. Одни и те же участки ДНК определяют положение мушиных фасеточных глаз и человеческих простых, расставляют части тела в правильном порядке. Это универсальные программы, работающие как в системе Drosophila melanogaster, так и в оболочке Homo sapiens.
Генетический инструментарий развития
Эво-дево – это сплав генетики и эмбриологии, изучающий родственные отношения между различными организмами и исследующий то, как ДНК заставляет виды развиваться специфическим образом. Это наука о том, как генотип определяет фенотип.
Первые открытия новой науки пришлись на ранние 1980-е, когда два немецких исследователя, Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус, с помощью химических веществ провоцировали случайные мутаций у мушек, которых затем скрещивали и наблюдали развитие потомства - от зародышей до взрослых насекомых. Когда мутация приводила к интересному результату, например формированию дополнительного набора крыльев или ног на голове, ученые отслеживали ген, за это отвечающий. Им удалось определить функции десятков генов и моменты времени, когда гены велят зародышу развиваться определенным образом. Оказалось, что структурой раннего зародыша управляют всего 15 генов. К ним относятся кластеры, расположенные на одной хромосоме, именуемые Нох-гены (Нох - это сокращение от «гомеобокса», участка ДНК из 180 пар оснований, одинакового для всех этих генов). Они определяют форму раннего зародыша мухи, его перед и зад, сегменты и бока, и на хромосоме они лежат в том порядке, в каком они формируют тело от головы до брюшка. Нох-гены велят голове отрастить усики, груди - ноги и крылья Их мутация приводит к рождению чудовищ, например мушек с ногами на том месте, где должны быть усики.
Хотя у мышей (и людей) больше Нох-генов, чем у мушек, они выполняют те же функции и распределяют части тела в том же порядке, в каком они расположены на хромосоме. Это ключевые элементы «генетического инструментария развития», благодаря которому зародыши обретают форму. Эти гены настолько похожи у видов, разделенных сотнями миллионов лет эволюции, что их даже можно пересаживать от одного животного другому без потери функции. Можно нокаутировать Нох-ген мушки, заменить его тем же геном мыши, и никто не заметит подмены. Человеческие Нох-гены работают так же.
Нох-гены - базовые инструменты формирования тела. Было идентифицировано множество других генов, выполняющих в разных видах одни и те же функции. Например, без гена eyeless («безглазость») мушки рождаются без глаз. Если его нокаутировать и заменить мышиным аналогом, у мушки вырастут нормальные глаза. Это особенно удивительно, потому что у насекомых глаза фасеточные, или сложные, а у млекопитающих простые. Ген приказывает: «вырасти глаз, который должен находиться здесь», а другие гены выполняют это задание в соответствии с видом животного.
«Мы тогда этого не знали, но мы открыли, что все в жизни удивительно похоже и гены, работающие в мушках, работают и в людях» Эрик Вишаус
Генетические переключатели
Раз форма очень разных видов с совершенно непохожими телами управляется небольшим фундаментальным набором генов, то напрашивается вопрос: если у людей, мышей и мушек эти гены одинаковы, то почему у нас нет крыльев, усиков и сегментов или вибрисс и хвоста?
Ответ, по-видимому, содержится в «генетических переключателях», включающих и выключающих гены. Некоторые из них представляют собой белки, известные как факторы транскрипции: они связываются с окружающими гены последовательностями ДНК - промоторами и энхансерами - и усиливают или ослабляют активность генов. Другие контролируются 98 % генома, не участвующими в синтезе белков, — бессмысленными последовательностями, известными как мусорная ДНК. Все эти механизмы требуются, чтобы в нужный момент гены работали или молчали. Нох-гены и другие инструменты создают в клетках, в зависимости от того, где они расположены, сети переключателей. Эти сети определяют, какие гены работают, а какие спят. Клетки печени, поджелудочной железы и дофаминовых нейронов несут один и тот же пакет программ. Однако в каждом типе клеток выполняются только нужные программы из этого пакета.
Такие изменяющиеся профили работы генов также объясняют, как гены могут приводить в разных организмах к различным результатам. На разнообразие видов значительно влияет специфическое использование генов.
Это помогает понять, почему такого небольшого числа человеческих генов — примерно 21 500, как показала последовательность нашего генома, — достаточно для создания сложного организма. Удивительная сложность человека только частично является результатом работы генов, создающих уникальные для нашего вида белки. Эво-дево показывает, что сложная система переключателей, дирижирующая генетическим оркестром, не менее, а может и более, важна.
Как назвать ген?
Сейчас есть широкий набор правил для называния генов, однако раньше ученым удавалось безнаказанно называть гены как им хотелось. В результате у генетики довольно причудливый словарный запас. Например, один из первых идентифицированных генов инструментария развития называется «ежик» (hedgehog), потому что личинки мушек, у которых нет этого гена, короткие и волосатые и слегка напоминают колючего зверька. У млекопитающих сходный ген назвали «ежик Соник» (Sonic hedgehog) в честь персонажа компьютерной игры, а у рыб — «Ухти-Тухти» (Tiggywinkle) в честь ежихи-прачки из книжки Беатрис Поттер.
У плодовых мушек есть мутация «Клеопатра», потому что она смертельна в сочетании с геном «гадюка» (asp). Другая мутация называется «Кен и Барби»: у несущих ее мушек, как у кукол, нет наружных половых органов. Многие ключевые гены, открытые Нюсляйн-Фольхард и Вишаусом, сохранили свои немецкие имена — kruppel («инвалид») и gurken («огурец»). Но иногда и самые творческие умы встают в тупик. Название гена ring («кольцо») никак не связано с функцией или формой, это просто аббревиатура фразы really interesting new gene — «очень интересный новый ген».