Рассказ предка. Путешествие к заре жизни. - Ричард Докинз

Эти маркирующие концентрации сохраняются в веществе клеток, которые образуются, когда яйцо впоследствии делится. Первые несколько делений происходят без какого-либо прибавления нового материала, и деления являются неполными: создается много отдельных ядер, но они полностью не отделены клеточными перегородками. Эту многоядерную «клетку» называют синцитий. Позже перегородки формируются, и эмбрион становятся по-настоящему клеточными. В продолжение всего этого, как я сказал, сохраняются первоначальные химические градиенты. Из этого следует, что ядра клеток в различных частях эмбриона будут плавать в различных концентрациях ключевых веществ, соответствующих первоначальным двумерным градиентам, и это заставит различные гены включаться в различных клетках (мы сейчас, конечно, не говорим о собственных генах эмбриона, больше о материнских). Так начинается дифференциация клеток, и проецирование этого принципа приводит к дальнейшей дифференциации на более поздних стадиях развития. Первоначальные градиенты, настроенные материнскими генами, уступают дорогу новым и более сложным градиентам, настроенным собственными генами эмбриона. Последовательные разветвления в линиях эмбриональных клеток рекурсивно производят дальнейшие дифференциации.

У членистоногих существует более широкомасштабное разделение тела, не на клетки, а на сегменты. Сегменты выстраиваются в линии, от передней части головы до конца брюха. У насекомых есть шесть главных сегментов, в которых антенны находятся на сегменте 2, на следующих сегментах находятся мандибулы, а затем другие ротовые части. Сегменты головы взрослого сжаты до маленьких пределов, таким образом, их расположение вдоль всей длины тела не слишком ясно, но его можно увидеть в эмбрионе. Три грудных сегмента (T1, T2 и T3), расположенных в ряд, более заметны, каждый имеет пару ног. T2 и T3 обычно имеют крылья, но у дрозофилы и других мух крылья есть только на T2 (Некоторые другие насекомые, такие как тараканы и жуки, летают только с помощью крыльев T3, изменив крылья T2 в твердые защитные надкрылья, названные элитра. Сверчки и кузнечики, как мы слышали, затем изменили элитры в звуковоспроизводящие органы.). Вторая пара «крыльев» изменена в жужжальца, маленькие булавообразные органы на T3, которые вибрируют и служат миниатюрными гироскопами, направляющими муху. У некоторых ранних ископаемых насекомых было три пары крыльев, одна пара на каждом из трех грудных сегментов. Позади грудных сегментов расположено большее число брюшных сегментов (11 у некоторых насекомых, восемь у дрозофилы, в зависимости от того, принимаете ли Вы во внимание гениталии на заднем конце). Клетки «знают» (в уже оправданном смысле), в каком сегменте они находятся, и они ведут себя соответственно. Каждая клетка различает, в каком сегменте она расположена, при посредничестве специальных регулирующих генов, Hox-генов, включенных в клетку. «Рассказ Плодовой Мушки» – главным образом рассказ о Hox-генах.

Вопрос бы стал ясным и легко объяснимым, если бы я мог теперь сказать Вам, что есть один Hox-ген для каждого сегмента, при этом все клетки данного сегмента имеют только свой собственный, пронумерованный, включенный в нее Hox-ген. Было бы еще лучше, если бы Hox-гены выстраивались вдоль хромосомы в том же самом порядке, что и сегменты, на которые они влияют. Что ж, это не столь здорово, но почти так. Hox-гены действительно расположены в правильном порядке вдоль одной хромосомы, и это замечательно – учитывая то, что мы знаем о работе генов. Но Hox-генов не достаточно для сегментов – только восемь. И есть более неприятное затруднение, которое я должен устранить. Сегменты взрослого не точно соответствуют так называемым парасегментам личинки. Не спрашивайте меня, почему (возможно, у Проектировщика был неудачный день), но каждый сегмент взрослого составлен из задней половины одного личиночного парасегмента плюс передней половины следующего. Если отдельно не оговорено, я буду использовать слово «сегмент», чтобы обозначить личиночный (пара-) сегмент. Что касается вопроса о том, как восемь Hox-генов подряд ответственны приблизительно за 17 подряд сегментов, это, отчасти, снова происходит благодаря уловке с химическим градиентом. Каждый Hox-ген в основном экспрессируется в одном сегменте, но он также экспрессируется, в уменьшающейся степени, если двигаться назад, в большом количестве следующих сегментов. Клетка знает, в каком сегменте она находится, сравнивая химические продукты более чем одного выше расположенного Hox-гена. Это немного более сложно, но здесь нет никакой потребности вдаваться в такие детали.

Восемь Hox-генов выстраиваются в два генных комплекса, физически разделенных вдоль одной и той же хромосомы. Их называют комплексом Antennapedia и комплексом Bithorax. Эти названия вдвойне неудачны. Комплекс генов называют в честь единственного члена этого комплекса, который не более важен, чем другие. Хуже того, сами гены обычно называют по названию того, что случается, если они работают не так как надо, а не по названию их нормальной функции. Было бы лучше назвать их чем-то вроде передний Hox-комплекс и задний Hox-комплекс. Однако мы упорно придерживаемся существующих названий.

Комплекс Bithorax состоит из последних трех Hox-генов, названных по историческим причинам в которые я не буду вдаваться, Ultrabithorax, Abdominal-A и Abdominal-B. Они затрагивают задний конец животного следующим образом. Ultrabithorax экспрессируется от сегмента 8 по всей длине до заднего конца. Abdominal-A экспрессируется от сегмента 10 до конца, и Abdominal-B экспрессируется от сегмента 13 до конца. Продукты этих генов образуются в уменьшающемся градиенте концентрации в направлении заднего конца животного от своих различных отправных точек. Так, сравнивая концентрации продуктов этих трех Hox-генов, клетка в следующей части личинки может различить, в каком сегменте она находится, и действовать соответственно. Та же история для переднего конца личинки, за который ответственны пять Hox-генов комплекса Antennapedia.

Клетки «думают», что они находятся в другом сегменте. Гомеотическая мутация плодовой мушки.

В таком случае Hox-ген является геном, чье жизненное предназначение состоит в том, чтобы знать свое местонахождение в теле и сообщать о нем другим генам в этой же клетке. Мы теперь готовы понять гомеотические мутации. Когда Hox-ген работает не так как надо, клетки в сегменте дезинформированы, в каком сегменте они находятся, и создают тот сегмент, в котором они «думают», что находятся. Так, например, мы видим, что нога растет в сегменте, в котором обычно выращивалась бы антенна. В этом есть точный смысл. Клетки в любом сегменте вполне способны к сборке структуры любого другого сегмента. Почему бы им этого не делать? Инструкции для изготовления любого сегмента скрываются в клетках каждого из сегментов. Это – Hox-гены, которые, при нормальных условиях, вызывают «правильные» инструкции для создания структуры, соответствующей каждому сегменту. Как справедливо подозревал Уильям Бэтсон, гомеотическая аномалия открывает показательное окно на то, как обычно работает система.

Вспомните, что у мух, необычно для насекомых, как правило, есть только одна пара крыльев, плюс пара гироскопических жужжалец. Гомеотическая мутация Ultrobithorax вводит в заблуждение клетки в третьем грудном сегменте, которые «думают», они находятся во втором грудном сегменте. Поэтому они сотрудничают, чтобы создать дополнительную пару крыльев, вместо пары жужжалец (см. рис.) Есть мутант мучного хрущака (Tribolium), у которого все 15 сегментов развились в антенны, по-видимому, потому что все клетки «думают», что они находятся в сегменте 2.

Это переносит нас в самую замечательную часть «Рассказа Плодовой Мушки». После того, как Hox-гены были обнаружены у дрозофилы, они стали выявляться повсеместно: не только у других насекомых, таких как жуки, но и почти у всех других животных, которых исследовали, включая нас самих. И – что действительно едва ли не слишком хорошо, чтобы быть правдой – они, очень часто, оказывается, делают то же самое, информируют делящиеся на сегменты клетки о том, где они находятся, и (даже лучше) выстраиваются в том же порядке вдоль хромосом. Давайте теперь вернемся к истории млекопитающих, которая была наиболее тщательно изучена благодаря лабораторной мыши – этой дрозофиле мира млекопитающих.

Млекопитающие, как и насекомые, обладают сегментированным планом тела, или, по крайней мере, модульным, повторяемым планом, который затрагивает основу и связанные структуры. Каждый позвонок можно представить себе как соответствующий одному сегменту, но не только кости повторяются по направлению от шеи к хвосту. Кровеносные сосуды, нервы, блоки мышц, хрящевые диски и ребра, где они есть, все придерживаются повторяющегося, модульного плана. Модульного, как у дрозофилы. Хотя у нижеупомянутой, связанной отдаленным родством дрозофилы есть такие же серии вдоль тела, как у млекопитающих, безусловно, вызывало бы беспокойство, если бы их не было также у ланцетника. Мой коллега Питер Холланд со своей исследовательской группой изучил этот вопрос, и их результаты удовлетворительны. Да, модульный план тела ланцетника опосредован (14) Hox-генами, и да, они расположены в правильном порядке вдоль хромосомы. В отличие от мыши, но подобно дрозофиле, существует только один ряд, а не четыре параллельных. По-видимому, вся группа была дублирована четыре раза где-нибудь вдоль линии, ведущей от Копредка 23 к современным млекопитающим, что сопровождалось некоторыми спорадическими потерями отдельных генов.