Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК

Сравним, к примеру, амфипод с их родственниками изоподами (равноногими). Большинство из нас знакомы с изоподами в лице их самого распространенного представителя – мокрицы. Как следует из названия (от греческого “равные ноги”), у равноногих все ноги повернуты вперед, в отличие от амфипод, у которых некоторые ноги повернуты вперед, а некоторые назад. Когда Патель удалил у амфипода ген abd-A, он создал животное, которое выглядит как изопод: все его конечности повернуты вперед. Он скопировал природу: в нормальном развитии равноногих ген abd-A не участвует.

Изменения активности этих генов объясняют различия между столь разными существами, как лобстеры и многоножки. В том участке тела лобстера, где развиваются большие клешни, активируются иные сочетания генов, нежели в участке, где развиваются ноги. А у таких существ, как многоножки, у которых во всех сегментах формируются одинаковые ноги, в каждом сегменте активируются одни и те же гены. У насекомых, червей и мух эти гены формируют дорожную карту построения тела.

Внутренний монстр

Но с Parhyale, лобстеров и мух история только начинается. Лягушки, мыши и люди тоже имеют версии тех же самых генов. У людей и других млекопитающих они называются по-другому. Вместо abd-A, Abd-В и прочих у нас есть гены Нох[15] с соответствующими номерами: Hox1, Нох2 и т. д. Кроме того, если мухи, черви и насекомые имеют только одну последовательность таких генов на одной хромосоме, то у нас их четыре на четырех разных хромосомах.

Эти гены активны вдоль оси тела мыши и человека, причем, как и в случае дрозофил и Parhyale,

они активны в разных сегментах тела. У нас нет крыльев или повернутых в разные стороны ног. У нас есть позвонки и ребра. Но, несмотря на эти различия, возникает вопрос: происходит ли наше развитие по тому же механизму, как развитие Parhyale и мух? Можно ли получить мутантные формы с разным количеством ребер и позвонков, если изменить активность генов в процессе эмбрионального развития?

Строение позвоночника млекопитающих описывается формулой, которая редко меняется: семь шейных позвонков, потом двенадцать грудных, каждый со своим ребром, а затем пять поясничных позвонков. Далее следуют крестец и хвост, который у человека сохранился в виде набора мелких сросшихся позвонков, именуемых копчиком.

Точно так же, как у дрозофил и Parhyale, у наших сегментов тела разные “адреса” генетической активности. Например, одна комбинация генов типа генов Bithorax отвечает за построение шейного отдела, другая – за формирование грудного отдела. Аналогичным образом, в пограничных участках между грудным и поясничным отделом и между поясничным и крестцовым отделом действуют разные наборы генов.

Изменение активности генов Нох предсказуемым образом превращает крестцовые позвонки в поясничные

Что происходит при замене генетического “адреса” отдела тела другим? Получить мутантную мышь гораздо сложнее, чем мутантную муху или Parhyale. На это уходят годы, главным образом потому, что мыши размножаются гораздо медленнее и нужно мутировать больше генов. Но результаты стоят ожидания.

Рассмотрим случай с позвонками поясничного и крестцового отдела. В отделе, из которого образуются поясничные позвонки, активизирован ген Нох10.

Далее следует крестцовый отдел, имеющий двойной генетический “адрес”: Нох10 и Нох11. У мутанта с удаленным геном Нох11 отдел, где в норме формируются крестцовые позвонки, получает генетический “адрес” поясничного отдела. И что происходит с отделами тела? Рождается мышь, у которой все позвонки крестца превращены в позвонки поясничного отдела.

Дальнейшие эксперименты показали, что такую же ситуацию можно воспроизвести с другими генами в других отделах тела. Грудные позвонки соединены с ребрами. Удаляя соответствующие гены, всей нижней части позвоночника можно дать “адрес” грудного отдела. Результат – мышь с ребрами до самого хвоста. Как и в работе Пателя с Parhyale, модификация генов изменяет сегменты тела и образующиеся в них органы.

Можно называть продукты подобных экспериментов монстрами, но это мешает понять, насколько изумительно они демонстрируют механизмы возникновения разнообразных форм жизни. Биологические наблюдения XIX века, открытия, сделанные в “мушиной комнате”, и результаты современной геномной биологии вкупе раскрывают внутреннюю красоту построения тел животных. Генетическое строение, определяющее формирование тел мухи, мыши и человека, показывает, что все мы – вариации на общую тему. Общий набор инструментов позволил развиться многим веточкам на едином дереве жизни.

Используем заново, перерабатываем и перепрофилируем