Рассказ предка. Путешествие к заре жизни. - Ричард Докинз

А как же другие животные, стратегически выбранные потому, что они могут рассказать нам о другом отдельном копредке? Hox-гены были теперь найдены у каждого животного, которого исследовали, кроме гребневиков и губок (см. Свидание 29 и 31 соответственно), включая морских ежей, мечехвостов, креветок, моллюсков, кольчатых червей, кишечнодышащих, асцидий, нематод и плоских червей. Мы могли это предположить, зная, что все эти животные происходят от Копредка 26, и у нас уже есть серьезные основания считать, что у Копредка 26 были Hox-гены, как у его потомков дрозофилы и мыши.

Книдарии, такие как гидра (они не должны присоединиться к нам до Свидания 28), являются радиально-симметричными – у них нет ни передне-задней оси, ни верхне-нижней. У них есть орально-аборальная ось. Не очевидно, во всяком случае, что она соответствует их длинной оси, поэтому каких действий можно было бы ожидать от их Hox-генов? Было бы неплохо, если бы они использовались для определения орально-аборальной оси, но пока не ясно, что это так. Так или иначе, у большинства книдарий есть только два Hox-гена, против восьми у дрозофилы и четырнадцати у ланцетника. Приятно, что один из этих двух генов напоминает передний комплекс дрозофилы, в то время как другой напоминает задний. У Копредка 28, которого мы разделяем с ними, по-видимому, было то же самое. Затем один из них был дуплицирован несколько раз в течение эволюции, создав комплекс Antennapedia, в то время как другой был дуплицирован в той же линии животных, создав комплекс Bithorax. Это как раз является своего рода способом увеличения генов в геноме (см. «Рассказ Миноги»). Но необходимо больше исследований, прежде чем мы узнаем, что вообще эти два гена делают при планировании тела книдарии.

Иглокожие радиально-симметричны, как киндарии, но радиально-симметричны вторично. Копредок 25, которого они разделяют с нами, позвоночными, был двусторонне-симметричным, как червь. У иглокожих различное количество Hox-генов – десять в случае морских ежей. Что делают эти гены? Скрывается ли в теле морской звезды пережиток наследственной передне-задней оси? Или Hox-гены проявляют свое влияние последовательно вдоль каждого пяти ее лучей? Это, казалось бы, имело бы смысл. Мы знаем, что Hox-гены экспрессируются в передних и задних лапах млекопитающих. Я не имею в виду, что множество Hox-генов от 1 до 13 экспрессируются по очереди, от плеча до кончиков пальцев. Это не так просто – как оно могло бы быть – потому что конечность позвоночного устроена не из модулей, которые следуют друг за другом на ее протяжении. Вместо этого там вначале находится одна кость (плечевая в передней конечности, бедренная в задней), затем две кости (лучевая и локтевая кость в передней конечности, голень и малоберцовая кость в задней), затем множество небольших костей достигают наибольшего количества в пальцах передней и задней конечности. Это веерное расположение, унаследованное от более очевидного веера плавников наших рыбоподобных предков, не предоставляет собой простой линейной зависимости Hox. Даже в этом случае Hox-гены вовлечены в развитие конечностей позвоночных.

По аналогии не было бы удивительно, если бы Hox-гены также экспрессировались в лучах морской звезды или офиуры (и даже морских ежей можно представить как о морских звезд, лучи которых завернулись вверх в пятиконечный свод, соединились концами и застегнули по бокам «молнии»). Кроме того, лучи морской звезды, в отличие от наших рук или ног, действительно являются последовательно модульными на своем протяжении. Трубчатые ножки со всей связанной с ними водопроводной системой являются структурными единицами, которые повторяются в двух параллельных рядах вдоль каждого луча: как раз то, что нужно для экспрессирования Hox-генов! Лучи офиур даже выглядят и ведут себя, как пять червей.

T. Г. Хаксли упомянул «большую трагедию науки – сражение красивой гипотезы уродливым фактом». Истинные факты Hox-генов иглокожих, возможно, не уродливы, но они не следуют за симпатичным примером, который я только что предложил. Происходит нечто другое, что имеет свою собственную, довольно удивительную красоту. Личинки иглокожего – крошечные, двусторонне-симметричные, плавающие в планктоне животные. Пятиконечное, радиально симметричное, живущее на дне взрослое животное не развивается как трансформация личинки. Вместо этого оно возникает как крошечный миниатюрный взрослый в теле личинки, который растет, пока, в конечном счете, остальная часть личинки не отбрасывается. Hox-гены экспрессируются в правильном линейном порядке, но не вдоль каждого луча. Вместо этого порядок экспрессирования следует по приблизительно круглому маршруту вокруг маленького взрослого. Если мы представили себе ось Hox как «червя», не существует пяти «червей», по одному для каждого луча. Есть единственный «червь», скрученный вокруг внутренней части личинки. Передний конец «червя» выращивает луч номер 1, задний конец «червя» выращивает луч номер 5. В таком случае, гомеотические мутации у морской звезды, как можно было бы ожидать, вырастят слишком много лучей. И без сомнения, мутантная морская звезда с шестью лучами известна и была зарегистрирована в книге Бэтсона. Есть также некоторые виды морских звезд, у которых намного большее количество лучей, и они, по-видимому, эволюционировали от гомеотических мутантных предков.

Hox-гены не были найдены ни у растений, ни у грибов, ни у одноклеточных организмов, обычно называемых простейшими. Но теперь мы подошли к трудности в терминологии, с которой необходимо справиться прежде, чем мы двинемся дальше. «Hox» был придуман как сокращение от «гомеобокс» (homeobox), но Hox-гены не синонимичны с гомеобокс-генами: они – их подмножество. У растений и грибов действительно есть гомеобокс-гены, но у них нет Hox-генов (Растения и грибы должны иметь системы контролирующих генов и химических градиентов, чтобы превратиться в правильную форму. MADS-box гены определяют эмбриологию цветов и могут произвести гомеотические мутации в цветах таким же образом, как Hox-гены  у животных.).

«Гомео» происходит от «гомеозиса» Бэтсона, а «бокс» указывает на блок из 180 кодовых знаков, который есть у всех генов, известных как гомеобокс-гены, где-нибудь на их протяжении. Сам гомеобокс – это диагностическая последовательность из 180 кодовых знаков, а «гомеобокс-ген» – ген, который содержит последовательность гомеобокс где-нибудь на своем протяжении. Название Hox используется не для всех гомеобокс-генов, а только для линейных множеств генов, которые определяют положение вдоль тела животного и которые оказались гомологичными почти у всех животных.

Hox-семья гомеобокс-генов была первой из обнаруженных, но теперь известно много родственных семей. Например, существует семья генов под названием ParaHox, которая была сначала четко установлена у ланцетников, но которая, кроме того, встречается у всех животных, кроме (пока) гребневиков и губок. Кажется, что ParaHox-гены – «кузены» Hox-генов, в смысле, что они им соответствуют и расположены в том же порядке, что и Hox-гены. Они, конечно, возникли при дупликации от одного и того же предкового набора генов, что и Hox-гены. Другие гомеобокс-гены более отдаленно связаны с Hox и ParaHox, но формируют собственные семьи. Семья Pox обнаружена у всех животных. Особенно известен член этой семьи – Pax6, который соответствует гену, известному как ey у дрозофилы. Я уже упомянул, что Pax6 ответственен за приказ клеткам создавать глаза. Тот же ген делает глаза у столь разных животных, как дрозофила и мышь, даже притом, что созданные глаза у этих двух животных радикально различны. Подобно Hox-генам, Pax6 не сообщает клеткам, как сделать глаз. Он только говорит им, что здесь место, чтобы сделать глаз.

Довольно похожий пример – маленькая семья генов, названных tinman. Снова же, гены tinman присутствуют и у дрозофилы, и у мыши. У дрозофилы гены tinman ответственны за приказ клеткам делать сердце, и они обычно экспрессируются только в надлежащем месте, чтобы создать сердце дрозофилы. Как мы теперь можем ожидать, гены tinman также участвуют в приказах клеткам мыши создавать сердце в надлежащем для него месте.

Весь набор гомеобокс-генов представляет собой очень большое множество, разделенное на семейства и подсемейства, так же как сами животные разделены на семейства и подсемейства. Это похоже на случай гемоглобина, который мы исследовали в «Рассказе Миноги». Там мы узнали, что человеческий альфа-глобин действительно является более близким кузеном, скажем, альфа-глобина ящерицы, чем кузеном человеческого бета-глобина, который, в свою очередь, более близкий кузен бета глобина ящерицы. Точно так же человеческий tinman – более близкий кузен tinman плодовой мушки, чем человеческого Pax6. Есть возможность построить очень полное генеалогическое дерево гомеобокс-генов, которое существует бок о бок с генеалогическим деревом содержащих их животных. Оба генеалогических дерева одинаково обоснованны. Оба – настоящие родословные деревья, сформированные событиями расколов, которые случались в особые моменты геологической истории. В случае генеалогических деревьев животных события расколов представляют собой видообразования. В случае генеалогических деревьев гомеобогс-генов (или генов глобина), события расколов – дупликации гена в геномах.