Рождение сложности: Эволюционная биология сегодня

Марков Александр

 Семейство Нох– генов подразделяется на 14 классов. Считается, что эти 14 классов возникали путем дупликации (удвоения) одного или немногих исходных генов. "Дубликаты" затем мутировали и обретали новые функции. У примитивных кишечнополостных и гребневиков имеется всего 4 класса Нох– генов, у предполагаемого общего предка двусторонне-симметричных животных их должно было быть по крайней мере 8, у млекопитающих присутствуют все 14 классов.

 Принцип работы всех Нох– генов одинаков. Все они являются транскрипционными факторами (регуляторами транскрипции — "прочтения" генов), то есть их функция состоит во "включении" или "выключении" других генов. В результате работы Нох-факторов запускается

каскад реакций, приводящий к появлению в клетке нужных белков.

Обобщенная схема эволюции основных групп многоклеточных животных. Внизу показано предполагаемое строение Нох-кластера у общего предка билатеральных животных. У него предположительно имелось 8 Нох-генов в едином кластере. Гены нарисованы разными цветами и пронумерованы. Цифры дробью указывают, что данные гены совмещены, то есть еще не разошлись в ходе эволюции. Некоторые гены показаны одинаковым цветом, это означает большое сходство в их нуклеотидных последовательностях. Стрелочки указывают направление считывания генов на ДНК.

 В последние годы представления о Нох– генах существенно изменились и расширились. Этому способствовала расшифровка ДНК-последовательностей Нох– генов у многих групп животных: кольчатых, плоских и круглых червей, иглокожих, членистоногих, оболочников, ланцетников, не говоря уже о млекопитающих. Под тяжестью новых данных обрушилось представление об упорядоченном расположении Нох– генов в хромосомах. Выяснилось, что, например, у иглокожих первые три Нох– гена располагаются прямо перед последним (14-м), а начинается кластер с пятого гена. У круглых червей и оболочников Hох– гены вообще не образуют кластеров и их порядок в хромосомах не соблюдается вовсе. Это

говорит о том, что правильный порядок экспрессии ("включения") Нох– генов в различных частях эмбриона не обязательно должен соответствовать порядку расположения этих генов в хромосоме. Последовательность включения Нох– генов зависит помимо "места под солнцем" от ряда дополнительных факторов, которые сейчас активно изучаются (но выяснить пока удалось немногое).

 Число классов Нох-генов в разных типах животных оказалось разным. Завораживающее сходство Hох– кластеров у мухи и человека тускнеет, лишь только к ним прибавляется еще какая-нибудь группа двусторонне-симметричных животных. Так, у круглых червей (нематод) найдено всего 5 классов из 14, у оболочников — 9, зато у ланцетника — все 14. У паразитических трематод (класс плоских червей) обнаружено всего 4 Нох– гена на двух хромосомах, и между этими четырьмя разбросаны другие гены, не связанные с Hох– семейством.

 И вот вопрос: почему у двусторонне-симметричных плоских червей Нох– генов столько же, сколько и у радиально-симметричных кишечнополостных и гребневиков? У кишечнополостных — вроде бы понятно: недостающих четырех классов генов еще не было, они образовались только после того, как появился гипотетический предок двусторонне-симметричных животных. Но у червей-то куда делась половина предковых регуляторных генов, зачем они избавились от них? Или, может быть, этой недостающей половины не было и у предка? Ответа пока нет. Ясно только, что даже при потере большого числа Нох– генов оставшиеся могут организовать эмбриональное развитие сложного билатерального существа.

 Зато стали известны детали регуляции самих регуляторных Нох– генов. Между Нох– генами расположены участки ДНК, прежде считавшиеся бессмысленными. В действительности, как оказалось, с них считываются короткие молекулы регуляторных РНК. Некоторые из них усиливают или ослабляют экспрессию (работу) самих Нох–

генов, некоторые косвенно влияют на работу других транскрипционных факторов. В экспериментах показано, что эти микроРНК могут регулировать как соседний, так и отдаленный Hох– ген.

 Так что семейство Нох– генов, главное из главных среди генов-регуляторов, само не имеет полной власти в своем хозяйстве. За ним следят мелкие "выскочки" РНК, способные видоизменить

экспрессию гена и тем самым замедлить или ускорить формирование органа.

(Источник: Derek Lemons, William McGinnis. Genomic Evolution of Hox Gene Clusters // Science. 2006. V. 313. P. 1912-1922.)

 Пожалуй, самый главный вывод, который можно сделать на основе анализа генома актинии, состоит в том, что уже самые первые представители животного царства обладали весьма сложным и совершенным "набором рабочих инструментов", то есть генов, который позволил создать огромное разнообразие сложных многоклеточных организмов, внося лишь небольшие изменения в базовую программу развития. Более того, эти изменения, судя по всему, вносились не в "архитектуру" программы, а только в ее "настройки".

 Базовая генетическая программа поведения клетки, имевшаяся уже у первых животных, оказалась столь удачной и гибкой, что дальнейшая эволюция животного царства — в том числе и прогрессивная эволюция, связанная с усложнением организма, — уже почти не требовала радикальных изменений самой программы. Достаточно было лишь небольших изменений в "настройках". Менялись, в частности, регуляторные участки ДНК, от которых зависит тонкая настройка работы генов-регуляторов.

 "Главный секрет" животных. На интуитивном уровне мы привыкли относиться к царству животных как к чему-то огромному и чуть ли не бесконечно разнообразному. Но в последнее время все больше появляется фактов, которые показывают, что в действительности животные (Metazoa) представляют собой весьма специфическую, компактную и генетически однородную группу организмов. Прочтенный геном актинии — яркое тому свидетельство.

 По-видимому, "самый большой секрет" животных, та генеральная идея, на которой основаны их строение и эволюция, заключается в особой технологии построения сложного организма

из множества изначально одинаковых модулей — клеток. Суть технологии в том, что благодаря деятельности ряда ключевых генов — регуляторов развития (в том числе Нох– генов) между делящимися клетками складывается сложная система взаимоотношений, клетки обмениваются сигналами, градиенты концентраций регуляторных веществ задают симметрию и план строения развивающегося организма, и все эти факторы вместе направляют процесс самоорганизации, самосборки сложного многоклеточного существа из генетически идентичных (то есть изначально одинаково "запрограммированных") клеток.

 Очень важно помнить, что геном работает не на уровне организма, а на уровне клетки. По сути дела он реально кодирует лишь биохимию и поведение одной клетки. Никакой "программы развития организма" в оплодотворенном яйце нет: там есть программа поведения клетки, не более. Что же касается "программы развития", то она самозарождается из взаимодействия делящихся клеток уже в ходе самого развития (примерно так же, как это происходит у Protozoon).

 Развитие червей начинается с хвоста. Нематода (круглый червь) Caenorhabditis elegans — замечательный модельный объект для изучения индивидуального развития животных, равно как и для многих других исследований. Достаточно сказать, что в 2002 году Сиднею Бреннеру, который первым начал использовать этого крошечного червя в качестве модельного объекта в генетике и эмбриологии, была присуждена Нобелевская премия "за открытия в области генетического регулирования развития человеческих органов". Работа, конечно, проводилась на черве, но выводы оказались справедливыми и для человека — вот вам и еще одно доказательство генетического единства животного царства.