Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

Нужно добавить еще кое-что. Белки из семейств Рах-6, Distal-less и Tinman у дрозофил, позвоночных и других животных содержат гомеодомены. Таким образом, все они являются ДНК-связывающими белками. Эти гомеодомены похожи на гомеодомены белков Hox, но не идентичны им. Теперь мы знаем, что существует около двух десятков семейств гомеодоменов. Белки Hox, Pax-6, Dll и Tinman относятся к четырем различным семействам. Белки Рах-6 различных животных похожи друг на друга больше, чем на белки из других семейств гомеодоменных белков. Аналогичным образом, белки Hox, Dll и Tinman также имеют больше сходства с членами своего семейства, чем с белками из других семейств. Различие между семействами гомеодоменов отражает разницу в их функциональной специфичности (они связываются с разными последовательностями ДНК). Поскольку все они связываются с ДНК и оказывают столь сильное влияние на развитие органов или конечностей, можно утверждать, что они регулируют включение и выключение генов, участвующих в развитии глаз, ног или сердец соответственно. Их значительное влияние на развитие организма связано с регуляцией активности большого количества генов, с действием на ранних этапах развития или и с тем и с другим (в любом случае, без них развития органа или части тела не происходит).

Когда ученые открыли, что у насекомых, позвоночных и других животных один и тот же набор генов контролирует образование участков и частей тела с похожими функциями (но очень сильно различающимся строением), а также их форму, им пришлось полностью переосмыслить историю развития животных, происхождение различных структур и природу разнообразия животного мира. Те, кто работал в области сравнительной и эволюционной биологии, долгое время считали, что разные группы животных, разделенные длительным периодом эволюции, создавались и эволюционировали совершенно разными путями. Были хорошо известны связи между представителями некоторых групп, таких как позвоночные, или между позвоночными и другими хордовыми животными. Но сходство между мухами и людьми или плоскими червями и асцидиями! Разве это возможно? Такой взгляд на эволюционные различия был столь прочно укоренен, что эволюционный биолог (и один из создателей синтетической теории эволюции) Эрнст Майр в 1960-х гг. писал: "Многое из того, что мы узнали о физиологии генов, доказывает, что поиск гомологичных генов является довольно бесполезным занятием, за исключением самых близкородственных видов. Если определенное функциональное требование можно реализовать лишь одним эффективным способом, самые разные комплексы генов приведут к одному и тому же решению, вне зависимости от пути его достижения. Поговорка «Все дороги ведут в Рим» верна не только в быту, но и в эволюции".

Эта точка зрения оказалась в корне неверной. В своей основополагающей работе "Структура теории эволюции" (The Structure of Evolutionary Theory) Стивен Джей Гулд назвал открытие кластеров Hox-генов и универсальных генов, использующихся при построении тела всех животных, переворотом основ современного синтеза. Он писал: "В центре нашего забрезжившего понимания сути генетики развития находится не просто открытие чего-то абсолютно нового... а совершенно неожиданный характер этих находок и вызванная ими необходимость пересмотреть и расширить теорию эволюции".

Мало того, что гомологичные гены существуют (что уже противоречит предсказанию Майра), но вдобавок выясняется, что не так уж много дорог ведут в Рим (т.е. к формированию адаптаций в ходе эволюции). История с геном Рах-6 показывает, что формирование самых разных типов глаз шло по одному пути. Естественный отбор не создавал множество глаз совсем с нуля: в создании всех типов глаз используется один и тот же генетический элемент. То же касается создания конечностей, сердец и т.д. Эти общие генетические элементы должны быть очень древними, древнее позвоночных или членистоногих, и происходить от тех самых первых животных, которые впервые стали использовать эти гены для того, чтобы видеть, чувствовать, есть или передвигаться. Эти животные — отдаленные предки большинства современных видов, включая нас с вами. Я подробнее расскажу о них и об эволюции животных в шестой главе. Но сначала я должен рассказать о некоторых других генах из нашего набора и открыть вам новые, неожиданные эволюционные связи.

Hox-гены и гены, участвующие в построении глаз, конечностей и сердец, пожалуй, составляют наиболее известную десятку генов, контролирующих развитие, а между тем они только часть набора генов, необходимого для развития животных. В формировании тела плодовой мушки задействовано несколько сотен генов — это лишь небольшая доля от 13 676 генов, обнаруженных в ее геноме. Подавляющее большинство генов делают другую работу — они участвуют в выполнении рутинных и специализированных функций клеток дрозофилы.

Мы узнали о наборе генов развития с помощью того же самого подхода, который позволил открыть первые гены, участвующие в построении тела, а именно — с помощью анализа мутантов. В конце 1970-х и начале 1980-х гг. два генетика, Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус, приступили к идентификации всех генов, необходимых для того, чтобы построить личинку дрозофилы. Они обнаружили несколько десятков генов, которые нужны для закладки правильного количества и типа сегментов тела, гены, необходимые для формирования трех зародышевых листков, и еще большее количество генов, участвующих в создании более мелких деталей строения. Я потом кратко расскажу об этих генах, а сейчас лишь замечу, что работа Нюсляйн-Фольхард и Вишауса была столь систематической и тщательной, что им удалось идентифицировать большинство генов, которые, как мы теперь знаем, участвуют в формировании тела дрозофилы. Кроме того, "двойники" многих из этих генов присутствуют у позвоночных и других животных, и эти двойники были обнаружены во многом благодаря пионерским исследованиям дрозофилы. В 1995 году Нюсляйн-Фольхард, Вишаус и Эд Льюис получили Нобелевскую премию в области медицины и физиологии за свои исследования, определившие дальнейший путь развития эмбриологии и, впоследствии, эво-дево.

Наиболее удивительным и полезным свойством коллекции мутантов Нюсляйн-Фольхард и Вишауса было то, что все экземпляры имели серьезные, но очень специфические дефекты в разметке плана строения эмбриона. Например, некоторые мутанты были лишены целой группы сегментов тела, а другие имели лишь половину нормального количества сегментов. Это означало, что мутантные гены определяли создание основных анатомических модулей, из которых составлено тело насекомого. К третьей группе мутантов относились те, у кого по определенному правилу нарушалась полярность каждого сегмента, так что было ясно, что мутантные гены влияют на разметку структуры модулей. Во всех случаях, однако, развитие не останавливалось полностью: какие-то специфические процессы прекращались, но какие-то протекали нормально.

Рис. 3.7. Инструментальный набор развития. Разметку и сборку тел животных контролируют несколько разных классов белков — продуктов генов развития. Рисунок Джоша Клейса.