Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

В образовании пятен участвовал лишь один из дюжины изученных нами генов. Вы уже многое знаете об этом гене — это Distal-less. Это было чрезвычайно интересно, поскольку означало, что ген, участвующий в формировании конечностей у дрозофилы и вообще у всех членистоногих, у бабочки выполняет еще и другую работу. Distal-less был по-прежнему занят привычным делом — экспрессировался в дистальных частях развивающихся конечностей, как и у всех насекомых и других членистоногих. Однако пятна экспрессии Distal-less на крыльях бабочки — это новый прием, "освоенный" гораздо позже, чем участие в формировании конечностей (рис. 8.6). Вспомните, что работа генов развития полностью зависит от конкретной ситуации (т.е. от контекста). Distal-less выполняет свою работу по формированию конечностей в определенное время и в определенном месте. Его работа по разрисовыванию крыльев осуществляется в другом месте, в другое время и в рамках другого процесса.

Рис. 8.6. В гене Distal-less у бабочек эволюционировал новый переключатель, дающий возможность экспрессироваться в области пятен-глазков. Переключатели гена Distal-less контролируют его экспрессию в ногах и крыльях личинок и у дрозофил, и у бабочек, однако у гена бабочек появился новый переключатель, контролирующий его экспрессию в пятнах-глазках. Рисунок Лианн Олдс.

Как ген Distal-less научился новому виду деятельности? Он приобрел новый переключатель, реагирующий на специфические координаты эмбриона, в которых находятся клетки будущего глазка. Пятна экспрессии гена всегда образуются точно между двумя жилками у внешнего края крыла. Точность и воспроизводимость координат пятен говорит о том, что в этих точках активны белковые продукты генов развития, связывающиеся с переключателем гена. Обнаружение экспрессии Distal-less в развивающихся пятнах-глазках юнонии показало, что мы идем по верному пути. И, возможно, отыщем ключ к тому, как возникает замысловатый узор на крыльях бабочек. Первым делом нужно было понять, является ли сделанное нами открытие общим правилом или касается лишь одного конкретного вида бабочек. Поэтому мы стали изучать экспрессию гена Distal-less у других бабочек — как с пятнами, так и без них. Корреляция была полной. Мы увидели изумительные пятна экспрессии Distal-less у всех видов бабочек с пятнами, а на крыльях бабочек без пятен экспрессии Distal-less не обнаружили (вкладка 8d).

Ободренные таким везением, мы стали искать другие белки — продукты генов развития, которые могли бы экспрессироваться в развивающихся пятнах-глазках. Мы подозревали, что такие белки должны обнаружиться, поскольку глазки представляют собой концентрические окружности по-разному пигментированных чешуек, а значит, чешуйки каждой окружности должны получать разные инструкции. Из экспериментов Фреда Нийхута следовало, что сигналы из фокуса индуцировали образование концентрических кругов клеток, цвет которых определялся их расстоянием от центра. Distal-less экспрессировался в клетках центральной зоны, но внешние кольца тоже должны были быть чем-то помечены.

Нам вновь провезло. Крейг Брюнетти, один из сотрудников моей лаборатории, занялся поиском других продуктов мастер-генов в пятнах-глазках на крыльях бабочек и обнаружил еще две интересные закономерности. Он стал исследовать два важных белка, Spalt и Engrailed, и обнаружил, что на крыльях африканской бабочки Bicyclus anynana они экспрессируются в виде пятна и кольца соответственно (вкладка 8е). У этих бабочек белый центр глазка окружен широким черным ободком, который, в свою очередь, окружен золотистым ободком. Зона экспрессии Spalt точно соответствует будущему черному кольцу, а зона экспрессии Engrailed — будущему золотому кольцу. Точное соответствие между кольцами экспрессии белка в развивающихся чешуйках и будущими кольцами глазков продемонстрировано на цветных вкладках.

Engrailed и Spalt — тоже очень старые гены, выполняющие другую работу, так что объяснить их новую функцию в создании пятен-глазков можно таким же образом, как и в случае Distal-less: это результат эволюции новых переключателей, контролирующих эти гены и позволяющих им освоить новую функцию.

8с Белок Distal-less у гусеницы синтезируется в тех клетках зачатка крыла, которые у бабочки будут находиться в середине пятен-глазков. Белок Distal-less (показан зеленым цветом) на большом увеличении виден в виде мелких пятнышек (нижняя правая фотография на верхнем рисунке). Эти пятнышки маркируют положение белых центров пятен-глазков взрослой бабочки (внизу), которые появятся не раньше чем через неделю.

8d Экспрессия гена Distal-less коррелирует с наличием или отсутствием пятен на крыльях бабочек разных видов.

В колонке слева показана локализация белка этого гена в зачатках крыльев у гусениц четырех видов бабочек, а справа — крылья соответствующих взрослых особей.

8е Расположение разноцветных колец, образующих пятно-глазок на крыле взрослой бабочки, намечается еще на стадии куколки за счет экспрессии двух генов развития (на верхней фотографии области, где локализованы белки этих генов, показаны зеленым и лиловым цветом; в центре они перекрываются). Эти области маркируют расположение белого центра, а также черного и золотого колец на крыле взрослой бабочки которые появятся более чем через неделю. Крейг Брюнетти.

Позвольте мне немного отвлечься от науки и рассказать вам историю о непредвиденных последствиях наших неожиданных открытий. Эта история показала мне, насколько красота способствует пробуждению интереса к науке.

Когда волна ликования после обнаружения гена Distall-less в глазках на крыльях бабочек слегка утихла, мы подготовили результаты к публикации. Однако мы быстро обнаружили, что далеко не все разделяют наш восторг. Журнал Nature отклонил нашу статью без дальнейшего рецензирования. Ну ладно, в первый раз не повезло. Мы отправили статью в журнал Science. Там редакторы отнеслись к нам с большим вниманием и решили опубликовать статью и даже напечатать изображение крыла бабочки на обложке. Это было здорово — наша миссия выполнена!

Однако это только начало истории.

Обычно принятая к публикации статья выходит как минимум через пару месяцев, поэтому я и не думал о ней, когда отправился на очередную научную конференцию. Я жил в студенческом общежитии на территории университетского кампуса, питался в столовой и всецело отдавался обаянию академической науки. В перерыве между выступлениями коллег я получил сообщение о том, что со мной хочет связаться Николас Уэйд — научный обозреватель газеты The New York Times.