Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

Рис. 3.4. Hox-гены дрозофилы. Восемь генов (сокращенные названия lab, pb и т.д.) локализованы на одной и той же хромосоме дрозофилы, и каждый ген определяет особенности развития определенного участка тела мушки; эти участки расположены вдоль передне-задней оси тела мухи (выделены серым цветом разной интенсивности). Рисунок Лианн Олдс.

К 1983 г. ДНК из этих двух комплексов генов была выделена и проанализирована. Одна из первых задач заключалась в идентификации белков, закодированных восемью гомеозисными генами. Первым важным открытием стало то, что каждый из этих генов, размером около 1000 пар оснований, содержит практически идентичную короткую последовательность примерно из 180 оснований. В результате трансляции эта последовательность превращается в 60-аминокислотный домен, входящий в состав всех восьми белков. Это было безумно интересно, так как означало, что, хотя каждый гомеозисный ген оказывает специфическое влияние на определенную часть тела, все гомеозисные белки имеют какие-то сходные функции. У молекулярных биологов есть традиция давать названия отдельным элементам ДНК. Поскольку последовательность из 180 пар оснований в гомеозисных генах представляла собой маленький "ящик" ("бокс") общности в длинных последовательностях ДНК, эту общую последовательность ДНК стали называть гомеобоксом, а кодируемую ею последовательность белка — гомеодоменом. Позднее для краткости гомеозисные гены с гомеобоксами этого типа стали называть Hox-генами.

Но что делает этот гомеодомен, какими свойствами обладает? Мой коллега по лаборатории, Аллен Лафон, определил последовательность одного гена из комплекса Antennapedia и попытался понять, как он работает. Одна из стратегий, которую биологи применяют для изучения новых последовательностей, заключается в поиске сходства между ними и уже известными молекулами. Поэтому Аллен стал сравнивать гомеодомен со всеми белками, которые когда-либо были изучены, считая, что если он найдет структурное сходство, то сможет подобраться к разгадке функции гомеодомена.

Где-то он уже однажды видел структуру, напоминавшую гомеодомен...

Да это же lac-репрессор! И не только lac-репрессор, но и весь набор ДНК-связывающих белков, которые связываются с переключателями в бактериях и дрожжах.

Эврика!

Найденное сходство означает, что гомеодомен представляет собой ДНК-связывающий домен, встроенный в структуру белка. Скорее всего, гомеозисные белки также могут регулировать действие переключателей в организме животных, и именно по этой причине они влияют на формирование и дифференцировку структур.

Это важная новость. Однако скептики могут заметить, что мы продвинулись в своих знаниях от малюсенькой бактерии до малюсенькой мухи. Ну и что? Как это помогает разобраться в строении великолепных животных, о которых мы собирались поговорить? И в строении нас самих?

Подобные заявления мне знакомы. Когда я защитил диссертацию и начал работать с дрозофилами, некоторые мои коллеги старшего поколения считали, что я потерял голову. Дрозофилы? Что они могут рассказать о людях или о других млекопитающих? Распространенная точка зрения, подкрепленная десятилетиями разрыва между биологами, работавшими на мышах, крысах или других традиционных моделях медицинской биологии, и теми, кто работал с "низшими" формами, состояла в том, что законы физиологии и развития млекопитающих чрезвычайно сильно отличаются от соответствующих законов у жуков или червяков. Различия эти настолько велики, что работать на таких объектах, как дрозофилы, многим (представьте себе!) казалось бессмысленным.

Но всех нас ждало множество сюрпризов.

Билл Макгиннис и Майк Левайн не считали, что у пушистых зверей должен быть какой-то особый статус. Кроме того, эти ученые, работавшие в лаборатории профессора Вальтера Геринга в Университете Базеля, очень интересовались гомеозисными мутантами. Когда они обнаружили, что в каждом гомеозисном гене дрозофилы есть гомеобокс, они сделали следующий логический шаг. Они начали выделять ДНК из всех живых существ, каких только могли найти в окрестностях Базеля, а также в соседних лабораториях, включая насекомых, земляных червей, лягушек, коров и людей, чтобы проверить их ДНК на наличие гомеобоксов.

Джекпот.

Они нашли множество гомеобоксов.

В результате детального анализа последовательностей гомеобоксов было обнаружено невероятное сходство этих последовательностей у разных видов животных. В гомеодоменах некоторых мышей и лягушек до 59 аминокислот из 60 совпадали с аминокислотами в гомеодоменах дрозофилы. Такое сильное сходство белковых последовательностей было удивительным. Эволюционные ветви, приведшие к появлению дрозофил и мышей, разошлись более 500 млн лет назад, еще до знаменитого кембрийского взрыва, давшего жизнь большинству современных видов животных. Ни один биолог не мог предполагать, что между генами столь отдаленных видов может существовать столь разительное сходство. Hox-гены оказались настолько важны, что их последовательности сохранялись в неизменном виде на протяжении невероятного долгого периода в эволюции животных.

Поначалу возникло несколько объяснений роли гомеобокса. Некоторые ученые не придали ему большого значения и предположили, что гомеобокс отвечает за какую-то рутинную функцию, например, обозначает местонахождение определенных белков в клетке. Но вскоре стало ясно, что гомеобоксы позволяют заглянуть гораздо глубже. Профессор Джонатан Слэк из Оксфордского Университета сравнил открытие гомеобокса с открытием Розеттского камня, позволившего расшифровать египетские иероглифы. Является ли гомеобокс ключом к разгадке процесса развития животных?

Через пару лет после обнаружения Hox-генов у позвоночных и других животных ученых ждало еще одно, возможно, даже большее потрясение. Когда стали анализировать расположение этих генов на хромосомах мыши, оказалось, что они тоже собраны в кластеры (их всего четыре), как у дрозофилы. Но что еще более удивительно, порядок генов в каждом кластере соответствует порядку расположения тех участков тела мыши, в которых эти гены экспрессируются. Это означает, что сходство между разными животными не ограничивается лишь последовательностью генов, но касается и их кластерной организации и того, как они используются в эмбрионе (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Соответствие кластеров Hox-генов и отдельных участков тела разных эмбрионов. Вверху: гены единственного кластера Hox-генов дрозофилы экспрессируются в разных участках эмбриона. Внизу: гены из четырех кластеров Hox-генов мыши экспрессируются в разных участках эмбриона. Рисунок Лианн Олдс.

Да, представьте себе. Кластеры Hox-генов определяют развитие столь разных животных, как дрозофилы и мыши, и теперь мы знаем, что это относится ко всем представителям царства животных, включая человека и слона. Ни один даже самый активный сторонник исследований на дрозофилах не мог предсказать, насколько Hox-гены важны и универсальны. Выводы оказались ошеломляющими. Не имеющие между собой абсолютно ничего общего животные строятся не только с помощью одних и тех же инструментов, но и с помощью одних и тех же генов!