Рис. 5.6. Альтернативные варианты экспрессии генов в передних и задних крыльях контролируются представителем семейства белков Hox. Прямые линии соответствуют переключателям, буквы — различным регуляторным белкам; буквой U обозначен белок Ubx. Различия в форме передних и задних крыльев объясняются разным набором активированных генов. Рисунок Джоша Клейса.
Та же логика действует при создании различных ромбомеров, позвонков и ребер у пресмыкающихся, а также различных типов конечностей у членистоногих. Различия в окончательной форме этих сериально гомологичных структур определяются Hox-белками, которые вызывают активацию определенных групп генов, участвующих в формировании конечностей, ромбомеров, позвонков и ребер в каждой точке вдоль основных осей тела.
"Монтаж" эмбриона: переключатели, цепи и сети
Я продемонстрировал работу генетических переключателей на примере одного переключателя одного гена, нескольких переключателей одного гена, а также группы переключателей, контролируемых одним белком. Однако все переключатели и белки, о которых я говорил, и все картины экспрессии, которые я показывал, — лишь отдельные кадры общего процесса. Весь процесс формирования животного — это огромное множество кадров, объединенных в невероятный, непрерывный кинофильм.
Форма тела и частей тела животного никогда не является результатом работы какого-то одного гена или переключателя. Части тела, ткани и типы клеток — все это продукты деятельности множества белков и переключателей, которые организуют морфогенез во времени и в пространстве, а также белков и других молекул, придающих клеткам и тканям их специфические физиологические и механические свойства. Процессы развития, которые осуществляются под контролем одних переключателей и белков, связаны с другими процессами, в которых принимают участие другие переключатели и другие белки. большие группы взаимосвязанных переключателей и белков образуют "цепи", которые, в свою очередь, являются частью еще более сложных "сетей", управляющих развитием сложных структур. Архитектура животных — продукт архитектуры генетических регуляторных сетей.
Схему или логику этих цепей и сетей можно изобразить с помощью диаграммы, какую используют для изображения электрических сетей или логических схем. Каждый переключатель — это точка принятия решения, узел генетической цепи. На рис. 5.7 схематически изображен ряд взаимосвязанных цепей, в которых задействовано только небольшое количество активаторов, репрессоров, переключателей и генов. Эта модель опять-таки отражает лишь часть значительно более сложной системы. Чтобы в деталях описать процесс создания дрозофилы, мне, вероятно, понадобилось бы не меньше тысячи страниц, а чтобы описать создание человека — несколько тысяч страниц. Регуляторные сети позвоночных более многочисленны (у нас в три раза больше типов клеток, чем у мух или других беспозвоночных), но на самом деле не более сложные.
Рис. 5.7. Схема регуляторной логики генетической сети. Активаторы (буквы в кружочках) и репрессоры (буквы в квадратиках) действуют на переключатели (прямые линии). Стрелки соответствуют активации, а линии, заканчивающиеся перпендикулярной чертой, означают репрессию. В построении и создании формы любой структуры обычно задействовано множество цепей активаторов и репрессоров. Рисунок Джоша Клейса.
Переключатели и разрешение парадокса набора генов развития
Биологи только начинают осознавать важную роль переключателей. Мы уже несколько десятилетий умеем читать генетический код и находить в ДНК закодированные последовательности белков. В рамках модели, где центральным действующим лицом является белок, гены воспринимались как фрагменты информации, рассредоточенные в огромном море "пустой" ДНК. Кроме того, было распространено мнение, что различия между животными в значительной степени связаны с различиями в количестве генов и характере их последовательностей. Но теперь мы начинаем понимать, что гены окружены множеством переключателей. Кроме того, из результатов секвенирования геномов стало ясно, что человек и мышь имеют почти одинаковое количество генов (около 25 000). Поскольку сходство кодирующих последовательностей оказалось столь велико, пришло время выяснить, какую роль в эволюции играют переключатели.
Узнав, какова логика генетических переключателей и насколько они разнообразны, мы готовы задуматься об их вкладе в эволюцию биоразнообразия. Серьезный парадокс, возникший после открытия похожих наборов генов развития у самых разнообразных животных, заключается в следующем: как объяснить создание столь разных форм на основе одинаковых генов? Разгадка этого парадокса нашлась в результате открытия серий переключателей, которые позволяют использовать один и тот же ген снова и снова, иногда слегка, а иногда — очень сильно отличающимися способами при развитии сериально гомологичных структур у одного и того же животного.
От понимания роли переключателей в развитии до осознания их вклада в эволюцию нас отделяет совсем небольшой шаг. Переключатели позволяют использовать одни и те же гены развития по-разному в организме разных животных. Поскольку отдельные переключатели представляют собой независимые устройства по обработке информации, эволюционные изменения одного переключателя гена развития или переключателя, контролируемого белковым продуктом гена развития, могут изменить ход развития одной структуры, не влияя на другие структуры. Здесь кроется ключ к пониманию эволюции модульных тел и частей тел животных: так, например, у нас эволюционировал большой палец руки, отстоящий от остальных пальцев, а у мух возникли характерные задние крылья. Многие удивительные загадки эволюции, о которых я расскажу в следующей части книги (от взрыва биоразнообразия в кембрийском периоде до потрясающего разнообразия живущих сегодня бабочек и млекопитающих), объясняются именно эволюционными изменениями генетических переключателей.
Часть II. Окаменелости и гены. Как сделать животных разнообразными
Около десяти лет назад "кабинетные" молекулярные биологи вроде меня, не казавшие носа из лаборатории и занятые своими играми с ДНК, и палеонтологи, "полевые" ученые, раскапывавшие древние сокровища в экзотических точках планеты, были совершенно чужды друг другу. У нас не было ничего общего, мы никогда не пересекались и не искали встреч. Нас по-разному учили, работали мы обычно на разных факультетах и публиковались в разных научных журналах.
Но вдруг все изменилось.
Теперь палеонтологи говорят о Hox-генах, а молекулярные биологи отваживаются использовать в своей речи такие слова, как "кембрийский"!
Во второй части книги я расскажу чрезвычайно счастливую историю союза эмбриологии и эволюционной биологии, который помог открыть тайну эволюции формы тела животных. Толчком к этому объединению во многом послужило развитие в молекулярной биологии мощных технологий, благодаря которым возникли новые методы изучения развития и эволюции животных. То, что мы знаем о геномах ныне существующих видов и о развитии их эмбрионов, позволяет взглянуть на историю животного мира, отраженную в палеонтологической летописи, совершенно с другой точки зрения и понять не только то, что произошло, но и как это произошло — то есть нащупать внутренние механизмы формирования биологического разнообразия. Одна из догм современной геологии гласит: "настоящее — это ключ к прошлому", то есть процессы, которые мы можем наблюдать сегодня, происходили и в прошлом и могут объяснить прошлое. Эта основополагающая идея также является одним из основных принципов новой науки — эволюционной биологии развития, или эво-дево.
