Геном: автобиография вида в 23 главах - Мэтт Ридли

Вас уже не удивит, что у гена hedgehog есть аналоги в геномах как человека, так и птиц. У нас и у куриц есть три похожих гена: sonic hedgehog (Ёж Соник), Indian hedgehog (индийский еж) и desert hedgehog (пустынный еж), выполняющих одну и ту же работу. (Из-за названий генов может возникнуть впечатление, что генетики страдают больным воображением. В генетических каталогах вы найдете гены с именами tiggywinkle (прыгающий моллюск) и целые семейства генов с общим именем warthog (бородавочник, или в данном случае, скорее, «бородавчатая свинья») и groundhog (имя гена можно перевести как «земляная свинья», но так по-английски называются многие животные — от сурка до трубкозуба). Что касается генов-ежиков, то такое название они получили по внешнему виду мушки дрозофилы с дефектным геном hedgehog.) Точно также, как у дрозофилы, назначение гена sonic hedgehog и его партнеров состоит в том, чтобы установить в конечностях оси фронтально-дорсальной асимметрии. У эмбриона сначала формируются симметричные отростки конечностей и только под влиянием генов семейства hedgehog происходит дифференциация конечности на переднюю и заднюю части. На куриных эмбрионах проводили следующий эксперимент. В строго определенное время микроскопический комок эмбриональных клеток смачивали в суспензии белка hedgehog и аккуратно под микроскопом вставляли в среднюю часть почки будущего крыла у 24-часового куриного эмбриона. В результате точно так же, как у дрозофилы, вырастали сдвоенные крылья. Каждое из них представляло собой пару крыльев, сросшихся фронтальной частью с оперением, торчащим вперед и назад от средней линии крыла.

Имя hedgehog (ежик) носит целое семейство генов индивидуального развития. Первый ген этого семейства был обнаружен в 1978 году нобелевскими лауреатами Эриком Вишаусом (Eric Wieschaus) и Кристианой Нюссляйн-Фолхард (Christiane Nüsslein-Volhard). Такое название было предложено, поскольку мутантная мушка дрозофила была покрыта мелкими щетинками, делающими ее похожей на ежа. Все остальные гены hedgehog названы по видовым названиям ежей, за исключением гена sonic hedgehog, названного в честь персонажа серии видеоигр Sonic the Hedgehog.

Таким образом, у птиц и мух ген hedgehog определяет переднюю и заднюю части крыла. У млекопитающих этот ген отвечает за правильное развитие пальцев на конечностях. В каждом эмбрионе человека происходит трансформация беспалой почки в пятипалую конечность. Но точно такая же трансформация произошла примерно 400 млн лет назад с плавниками рыб, вышедших на берег. Этот факт одновременно получил подтверждение как в результате палеонтологических открытий, так и наблюдений за развитием эмбрионов под контролем Hox-генов.

Изучение эволюции конечностей началось в 1988 году с обнаружения в Гренландии окаменелостей акантостеги (Acanthostega). Полурыба-полумлекопитающее, вымершее 360 млн лет назад, поразило ученых строением восьмипалой конечности, напоминающей конечность сухопутных животных. Это был один из вариантов конечностей, которые природа апробировала на древних рыбах, позволив им шагать по мелководью. Постепенно, после анализа многочисленных окаменелостей, стал проясняться путь эволюции от плавника рыбы к пятипалой конечности, которой обладаем мы с вами. Сначала появились изогнутые дугой и торчащие вперед из грудной клетки кости предплечий. Затем из костей запястья образовались направленные назад косточки пальцев. Последовательность эволюционного развития конечностей была открыта после того, как ученые выстроили в ряд найденные окаменелости рыб и первых сухопутных животных. И тут палеонтологи получили экспериментальное подтверждение своей теории от эмбриологов. Оказывается, именно в такой последовательности в конечностях работают гомеозисные гены. Сначала Hox-гены создают градиент экспрессии от вершины к основанию растущей почки конечности, в результате чего в ней появляются и развиваются кости плеча и запястья. Затем в запястье возникает новый градиент экспрессии hedgehog-генов, перпендикулярный первому градиенту, который дает толчок развитию костей пальцев[126].

Изменения именно в гене sonic hedgehog привели к тому, что предки китов и дельфинов лишились задних конечностей (Thewissen J. G. et al. 2006. Developmental basis for hind-limb loss in dolphins and origin of the cetacean bodyplan. PNAS, e-pub ahead of print).

Hox-генами и hedgehog-генами не ограничивается перечень генов развития эмбриона. Множество других генов, определяющих, что и где должно расти, образуют удивительную по надежности самоорганизующуюся систему: объединяющие и разъединяющие гены (pax-genes и gap-genes) и еще множество генов с удивительными англо-немецко-японскими именами, такие как radical fringe (остаточная бахрома), even-skipped (парно-пропущенный), fushi tarazu, hunchback (горбун), Krüppel (калека), giant (гигант), engrailed (зазубренный), knirps (карапуз), windbeutel (флюгер), cactus (кактус), huckebein (хромой), serpent (змея), gurken (огурчик), oskar (оскар) и tailless (бесхвостый). Читая современные статьи по эмбриологии, иногда думаешь, будто взялся за чтение очередной новеллы Толкиена о приключениях хоббитов. Приходится освоить массу новой терминологии, чтобы понять, что к чему. Тем не менее генетика индивидуального развития полностью соответствует основным генетическим законам. Чтобы постичь чудо развития организма из одной клетки, не потребовалась ни современная ядерная физика, ни мудреная теория хаоса, ни квантовая динамика, ни новые генетические концепции. Так же, как и с генетическим кодом, проблема эмбрионального развития, которая представлялась непостижимой загадкой, оказалась вполне объяснимой последовательностью генетических событий. Все начинается с градиента химических веществ, оказывающих влияние на яйцеклетку. Под влиянием химических сигналов активизируются первые регуляторные гены, которые определяют, где у эмбриона перед и где зад. Затем последовательно от головы к хвосту включаются другие регуляторные гены, придающие каждому сегменту тела свою функциональность и специфичность. Следующая волна генов устанавливает фронтально-дорсальную полярность сегментов, и уже локальные регуляторные гены трансформируют клетки в отдельные органы и ткани. Процесс эмбрионального развития оказался довольно простым линейным химико-механическим процессом больше в духе Аристотеля, чем Сократа. (Автор противопоставляет материалистический натурализм Аристотеля идеализму Сократа — примеч. ред.) Из простого химического градиента возникает сложный полиморфизм органов и тканей. Насколько простыми были принципы индивидуального развития, и насколько сложным и многообразным оказался конечный результат. Несмотря на простоту базовых принципов, природа все еще бросает вызов инженерам. До сих пор человеку так и не удалось сконструировать машину, которая собирала бы сама себя из запчастей.

Хромосома 13

История народов

Поразительное единообразие гомеозисных генов у червей, мух, кур и людей еще раз подчеркивает общность нашего происхождения от единого предка. Обнаружить это сходство нам позволило знание генетического кода — языка, на котором записаны прописи белков в генах. Мы сравнили «тексты» генов и обнаружили в них общие «слова». Точно так же, но в иной исторической перспективе, сравнение языков дает возможность проследить общие корни разных народов. Например, итальянский, французский, испанский и румынский языки происходят от латинского языка, на котором говорили в Древнем Риме. Историю миграции народов можно изучить, если объединить в исследовании лингвистический и генетический анализ родственных связей между людьми. Напрасно историки сетуют на отсутствие исторических документов, свидетельствующих о переселении того или иного народа в далеком прошлом. Такие документы есть. Это гены и язык, на котором мы говорим. По причинам, которые я постепенно буду раскрывать в этой главе, хромосома 13 является отличной отправной точкой для разговора о генеалогии человечества.

В 1786 году английский судья в Калькутте сэр Уильям Джонс (William Jones) созвал съезд Королевского азиатского общества (Royal Asiatic Society) и объявил о своем открытии: древнеиндийский язык санскрит является прародителем латинского и греческого языков. Благодаря тому что Джонс владел многими языками, он обнаружил сходство санскрита также с кельтским, готским и персидским языками. Он предположил, что все эти языки имели общее происхождение. Джонс пришел к такому заключению по той же причине, по которой современные генетики сделали вывод о существовании 530 млн лет назад округленных плоских червей — предков большинства современных животных. Этой причиной явилось сходство слов. Например, слово «три» звучит как «tres» в латинском, «treis» — в греческом и «tryas» — в санскрите. Безусловно, в отличие от генетического «языка» в разговорных языках гораздо проще происходит заимствование слов у народов, которые живут на соприкасающихся территориях. Можно предположить, что слово «три» было занесено в санскрит из языков европейских народов. Но дальнейшие исследования подтвердили правоту Джонса. Все эти народы на огромной территории от Индии до Ирландии когда-то были одним народом и жили вместе на одной территории. Затем в ходе вековой истории миграций общий язык рассыпался на диалекты, которые стали самостоятельными языками.