Эволюционное наследие #3
От рыб нам много чего "досталось" - планы строения головы, конечностей и гены, которые всем этим безобразием управляют (об этом написано в первых двух постах: 1 и 2). Но есть нечто более глубокое и более общее, что объединяет вообще всех многоклеточных существ - это план развития тела.
Часть 1. Эмбрионы
Эмбрионы позвоночных до определённого момента выглядят строго одинаково. На картинке ниже первые три недели после зачатия: из одной клетки наш организм превращается в сферу из клеток, а затем в две трубки, одна внутри другой.
Так же обстоит ситуация и с отдельными органами - разные конечности, как птичьи крылья и лягушачьи лапки, на ранних стадиях развития устроены очень похоже.
Вообще, эмбрионы разных видов отнюдь не во всем одинаковы, но между ними есть черты глубокого сходства. У эмбрионов всех позвоночных имеются жаберные дуги и хорда, и все они на определенном этапе развития оказываются устроены примерно так:
И, что особенно важно, даже эмбрионы таких разных организмов, как рыбы и люди, обладают одними и теми же тремя слоями, открытыми в 19 веке Пандером и Бэром. Названия этих трех важнейших слоев (зародышевых листков) соответствуют их положению: наружный слой называют эктодермой, внутренний — энтодермой, а средний, расположенный между ними, — мезодермой. Из эктодермы образуются наши покровы (то есть кожа) и нервная система. Из энтодермы (внутреннего слоя) развиваются органы пищеварительного тракта и связанные с ним железы.
Средний слой (мезодерма) формирует многочисленные ткани, расположенные между пищеварительным трактом и кожей, в том числе скелет и мускулатуру. Не только у человека, но и у лосося, курицы, лягушки, мыши все органы развиваются из эктодермы, энтодермы и мезодермы.
Результаты подобных сравнений подталкивают нас к новым фундаментальным вопросам. Как получается, что эмбрион «знает», где нужно сформировать голову, а где анус? Какие механизмы управляют развитием и позволяют клеткам и тканям эмбриона развиваться в сложное многоклеточное тело?
Часть 2. Чудеса развития
В 20-х годах ХХ века Хильда Мангольд, аспирантка в лаборатории, взяла у эмбриона тритона небольшой участок ткани и пересадила другому эмбриону. Но не просто участок, а из области, где перемещались и образовывали складки клетки, из которых должны были образоваться зародышевые листки. Результат этого эксперимента принес приятный сюрприз.
Пересаженный участок ткани привел к образованию целого нового тела, наделенного спиной, позвоночником, брюхом и даже головой.
Почему все это так важно? Хильда Мангольд открыла небольшой участок ткани, который заставлял другие клетки сформировать целое тело, обладающее нормальным планом строения. Крошечный, но необычайно важный участок ткани, ответственный за такой характер развития, назвали организатором.
Самое удивительное, что участок ткани с организатором не обязательно брать из эмбриона того же вида. Вид тритона может быть другой - на внешний вид сформировавшейся половинки это не повлияет, она будет точной копией эмбриона, которому произвели имплантацию. В этом и есть главная фишка организатора: он сам не превращается в другие клетки, а лишь даёт химический сигнал, влияющий на их самоопределение.
Чтобы докопаться до самой сути работы организаторы, учёным пришлось сделать ряд важнейших открытий. Сначала, при работе с мухами-дрозофилами были открыты гены, мутации в которых приводили к радикальным перестановкам в теле мухи: нога росла там, где должен быть усик, или кроме нормальной пары крыльев была еще одна, лишняя, или не хватало некоторых сегментов тела. Очевидно, что-то здесь не давало телу развиться в соответствии с нормальным планом строения - и это, понятное дело, были мутации в определённых генах, отвечающих за развитие организма.
В середине каждого такого гена учёные обнаружили короткую последовательность почти идентичную у всех изученных видов, её назвали Homeobox (гомеобокс), а гены, содержащие последовательности, Hox (хокс) генами.
Эту последовательность стали искать у разных других видов животных, и эти поиски принесли общий вывод, который стал настоящим сюрпризом. Оказалось, что варианты Hox-генов есть у всех многоклеточных животных.
Эти гены идут друг за другом в одной из больших хромосом дрозофилы. Причем гены, мутации в которых вызывают нарушения строения головы, идут перед теми, мутации в которых вызывают нарушения в средних отделах тела, например в сегментах, несущих крылья. В самом конце этого ряда расположены гены, отвечающие за развитие заднего конца тела. Удивительное дело: оказалось, что эти гены расположены на хромосоме в том же самом порядке, в каком расположены связанные с ними структуры тела в направлении от головы к хвосту.
У таких разных организмов, как мухи и мыши, организация тела вдоль оси, идущей от головы к хвосту, регулируется вариантами одних и тех же генов. Если так или иначе вмешаться в работу Hox-генов, мы определенным предсказуемым образом вмешаемся и в план строения тела. Если получить муху, у которой не работает или отсутствует один из генов средних сегментов, то средние сегменты ее тела не разовьются или окажутся деформированы. Если получить мышь, у которой отсутствует один из средних Hox-генов, то у такой мыши будет видоизменено строение среднего участка позвоночника.
Hox-гены также определяют пропорции наших тел, то есть размеры различных участков головы, грудной клетки и спины. Эти гены участвуют в развитии отдельных органов, конечностей, гениталий и пищеварительного тракта. Изменения этих генов меняют строение наших тел.
На картинке ниже показаны Hox-гены у мухи-дрозофилы и у человека. Организацией тела в направлении «от головы к хвосту» управляют разные Hox-гены. У мух имеется один набор из восьми таких генов, каждый из которых представлен на схеме в виде маленького прямоугольника. У людей есть четыре набора таких генов. И у мух, и у людей порядок, в котором включаются эти гены, соответствует порядку их расположения в ДНК: гены, работающие в голове, находятся на одном конце молекулы ДНК, работающие в хвосте — на другом, а те, что управляют развитием органов, расположенных посередине, и на ДНК расположены посередине.
У разных видов имеется разное число Hox-генов. У мух и других насекомых их восемь, у мышей и других млекопитающих — тридцать девять. При этом все тридцать девять Hox-генов мыши представляют собой варианты Hox-генов мухи. Объясняется это тем, что многие из Hox-генов млекопитающих возникли в результате удвоения Hox-генов из меньшего набора - вроде того, что имеется у насекомых.
Несмотря на различия в числе этих генов, в процессе развития мыши они активируются во вполне определенном порядке, точно так же, как и в процессе развития мухи или любых других многоклеточных животных.
Часть 3. Организатор
В начале девяностых, в ходе исследования Hox-генов, был выявлен один весьма необычный ген. Он активировался в том самом участке организма эмбриона, где расположен организатор, и действовал именно на том этапе развития, на котором проявляется эффект организатора. Определённо это был легендарный участок-организатор, и внутри этого участка работал ген, который, похоже, им управлял или по крайней мере был связан с его действием в процессе развития эмбриона.
После этого во многих разных лабораториях стали находить гены, связанные с организатором, один из которых назвали Noggin. Этот ген делал в точности то, что должен делать ген организатора. Когда учёные взяли немного продукта этого гена и ввели его в определенный участок тела развивающегося эмбриона, эффект был точно таким же, как от пересадки организатора. Тело развившегося эмбриона обладало удвоенной продольной осью и двумя головами.
Новейшие методы позволяют нам наблюдать, как в клетке одновременно работают тысячи разных генов. Эти методы вместе с новыми компьютерными технологиями, дающими нам возможность разбираться в функциях конкретных генов, обладают огромным потенциалом для выяснения того, как гены обеспечивают формирование клеток, тканей и тел.
Выяснение этих сложных взаимодействий между батареями генов проливает свет на механизмы, благодаря которым формируются наши тела. Работа гена Noggin - прекрасный тому пример. Продукт этого гена сам по себе не указывает ни одной клетке, где она должна располагаться на оси, идущей от спины к брюху. Этот ген действует лишь в унисон с множеством других генов. Их совместная работа и определяет положение клеток.
Ещё один ген, BMP-4, представляет собой «брюшной» ген. Он включается в клетках, из которых развиваются структуры, расположенные на брюшной стороне тела. Для развития зародыша очень важно взаимодействие между генами BMP-4 и Noggin. В тех клетках, где активен Noggin, BMP-4 не может выполнять свою работу. В итоге получается, что ген Noggin не столько говорит клеткам, что им нужно стать «клетками спинной стороны тела», сколько выключает сигнал, который сделал бы их клетками брюшной стороны. Такого рода отношения, включение и выключение, и лежат в основе всех процессов развития живых организмов.
Часть 4. Небольшой итог
Все животные и похожи друг на друга, и отличаются друг от друга. Подобно тому как рецепт пирога передается из поколения в поколение, на каждом этапе изменяясь и совершенствуясь, так же и рецепт построения наших тел передавался из поколения в поколение - и изменялся в течение многих миллионов лет. Может быть, мы и не похожи на примитивных актиний и медуз, но рецепт, по которому формируется наше тело, представляет собой лишь более замысловатую версию того рецепта, по которому формируются их тела.
Убедительные свидетельства существования общего для всех животных генетического рецепта развития можно получить, используя вместо генов одних организмов гены других. Что произойдет, если мы заменим один из генов «бодибилдинга» (то есть построения тела) существа, тело которого организовано примерно так же сложно, как наше, на соответствующий ген актинии?
Вспомним ген Noggin, который у лягушек, мышей и людей включается в местах, где образуются структуры спины. Введем дополнительную порцию продукта этого гена в икринку лягушки, и у этой лягушки сформируются дополнительные спинные структуры, иногда даже дополнительная голова. В эмбрионах актиний разновидность гена Noggin тоже включается на определенном этапе развития в клетках одного из концов директивной оси.
Проведем принципиально важный эксперимент: возьмем продукт гена Noggin актинии и введем его в эмбрион лягушки. Результат? Лягушка с дополнительными спинными структурами, примерно такая же, как в опыте с введением в эмбрион лягушки продукта собственного гена Noggin.
На этом тему строения тела можно смело закрывать. В следующих главах осталось рассмотреть такие интересные моменты как зрение, обоняние, слух, икоту, геморрой и паховые грыжи.
PS Собственно этот текст и все следующие основаны на книге Нила Шубина "Внутренняя рыба". Всем, кому понравилась данная тема, очень советую либо подписаться на сообщество "Наука", либо вообще не ждать моих постов, которые представляют собой скромные выжимки отдельных глав, а прочитать книгу целиком.