Построение тела и частей тела осуществляется с помощью набора процессов, контролируемых отдельными переключателями. Сложный и большой скелет позвоночного на самом деле кодируется и выстраивается по отдельным косточкам в результате работы целых серий переключателей, организованных вокруг основных генов развития. Одно семейство белковых продуктов генов развития, исполняющих важную роль в развитии скелета, получило название BMP (Bone Morphogenetic Proteins — морфогенетические белки костей (англ.)), поскольку эти белки способствуют образованию хрящевой и костной ткани. Регуляция активности одного гена из этого семейства, гена ВМР5, наглядно иллюстрирует, каким образом индивидуальные структурные элементы создаются с помощью специфических переключателей.
Ген ВМР5 буквально окружен переключателями. Существуют специфические переключатели для экспрессии этого гена в ребрах, конечностях, пальцах рук, внутреннем ухе, наружном ухе, позвонках, щитовидном хряще, пазухах носа, грудине и др. (рис. 5.5). В разных местах и в разное время для создания разных структур производится один и тот же белок, причем специфика каждой операции и характер экспрессии определяются исключительно действием специфических переключателей. Существование отдельных переключателей для каждого участка обеспечивает тонкую настройку, необходимую для создания и детализации каждой части тела.
Рис. 5.5. Экспрессия гена BMP5 в различных частях мышиного эмбриона контролируется разными переключателями. По данным Дэвида Кингсли, Медицинский институт Говарда Хьюза и Стэнфордский университет; рисунок Джоша Клейса.
Изобилие переключателей
Удивительное разнообразие и тонкая географическая специфика действия переключателей являются результатом использования комбинаторной логики. Поскольку команда, выдаваемая переключателем, определяется суммой входящих в него сигналов, а количество возможных комбинаций сигналов возрастает экспоненциально с добавлением каждого нового сигнала, число команд, выдаваемых переключателем, потенциально бесконечно. Представьте себе, что дает возможность комбинировать полосы, линии, пятна, точки экспрессии активаторов и репрессоров и размещать их в любом месте, в любой ткани и в любом сочетании. Рисунки экспрессии могут быть самыми разными, и в геномах различных животных были обнаружены переключатели, создающие невероятное разнообразие таких рисунков. В каждой точке системы координат переключатели могут нарисовать и рисуют практически любые геометрические узоры экспрессии генов.
Но, хотя число возможных комбинаций сигналов и сигнатурных последовательностей огромно, реальное количество переключателей в каждом организме все же ограничено. И некоторые переключатели все же похожи друг на друга. Чтобы координировать процесс развития, в частности, создавать клетки конкретного типа со специфическими функциями, переключатели разных генов часто используют общий сигнал и общую сигнатурную последовательность. Например, для создания мышечных клеток необходимо синтезировать набор белков, позволяющих клеткам сокращаться, быстро использовать источник энергии и эффективно удалять отходы активной мышечной деятельности. Гены этих белков активируются в клетках мышц с помощью переключателей, в которых одинаковые сигнатурные последовательности узнаются одними и теми же белками. То же самое справедливо и для других специфических типов клеток — нейронов, фоторецепторных клеток глаза, клеток поджелудочной железы, клеток гипофиза и др. Функционирование органов обычно зависит от одного или нескольких генов развития, которые запускают группы переключателей, принадлежащих многим генам во всем геноме.
Модульные переключатели для построения модульных организмов: как сделать повторяющиеся части разными
Теперь, когда мы уже довольно хорошо представляем себе механизмы работы генетических переключателей, давайте поговорим о том, как эти механизмы вписываются в основные закономерности формирования тел животных, а также начнем разговор о том, как животные эволюционируют. Важнейшей чертой таких крупных и сложных животных, как членистоногие и позвоночные, является их модульное строение. Понимание того, как переключатели придают повторяющимся частям разную форму для выполнения разных функций, — ключ к пониманию развития и эволюции наших любимых животных.
В предыдущей главе мы убедились, что разные Hox-гены экспрессируются в разных сегментах и конечностях членистоногих и разных ромбомерах и сомитах позвоночных. Вид и функция каждого модульного элемента зависят оттого, какой или какие конкретные Hox-гены работают в данном конкретном сегменте, сомите, конечности или ромбомере. Именно образование этих "зон" экспрессии Hox-генов и их дальнейшее участие в создании повторяющихся элементов с различной формой и лежит в основе генетической логики, в соответствии с которой образуется модульная структура крупных симметричных животных.
Эта генетическая логика опирается на генетические переключатели на двух уровнях. Один набор переключателей принадлежит самим Hox-генам. Эти переключатели активируют соответствующие Hox-гены в определенных зонах, которые позднее станут модулями тела животного. Другая группа переключателей содержит сигнатурные последовательности, узнаваемые Hox-белками, и контролирует экспрессию других генов развития в различных модулях.
Как у членистоногих, так и у позвоночных разные Hox-гены экспрессируются вдоль основной оси эмбриона. Границы зон экспрессии каждого Hox-гена контролируются генетическими переключателями, при этом разные переключатели отвечают за экспрессию Hox-генов в различных структурах и тканях, таких как задний мозг, нервная трубка, сомиты и зачатки конечностей у позвоночных и эпидермис и нервный тяж у членистоногих. В соответствии с этой логикой клетки, относящиеся к одному модулю, производят не такие Hox-белки или их комбинации, как клетки соседнего модуля. Особая форма каждого модуля — ромбомера или сомита позвоночного, сегмента или конечности членистоногого — определяется влиянием Hox-белков на другие гены.
Основную логику того, как под влиянием Hox-белков формируются повторяющиеся элементы с различной морфологией, проще всего проиллюстрировать на примере насекомых. Большинство сегментов, расположенных вдоль основной оси тела насекомых, различаются по внешнему виду и несут на себе разные элементы. Например, первый грудной сегмент не имеет крыльев, второй грудной сегмент несет крупные передние крылья, а третий грудной сегмент — маленькие задние крылья, необходимые для поддержания равновесия в полете. В клетках передних крыльев Hox-белки не экспрессируются, но все клетки задних крыльев синтезируют белок Ubx (поскольку серия переключателей гена Ubx активирует его в третьем грудном сегменте и в задних крыльях). Различие между задними и передними крыльями насекомых связано с действием белка Ubx.
Белок Ubx определяет форму задних крыльев путем воздействия на переключатели генов, от которых зависит форма крыла. Он выключает гены, способствующие образованию структур, характерных для передних крыльев (жилок и др.), и включает гены, способствующие образованию структур, характерных для задних крыльев. Переключатели этих генов должны интегрировать множество сигналов (и содержать сигнатурные последовательности для каждого). Если мы сделаем "моментальный снимок" состояния переключателей и активности генов в передних и в задних крыльях, то обнаружим, что белок Ubx воздействует на группу переключателей, чтобы придать задним крыльям иную форму, чем у передних (рис. 5.6).
