Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни - Ричард Докинз

Мы подошли к самой удивительной части “Рассказа Дрозофилы”. После того как Hox-гены были обнаружены у дрозофилы, их стали находить не только у других насекомых, но почти у всех других животных, включая человека. И хотя звучит это неправдоподобно хорошо, у других животных эти гены чаще всего выполняют те же самые функции, вплоть до информирования клеток о том, в каком сегменте они находятся. Более того, эти гены расположены на хромосоме в одном и том же порядке. А теперь послушаем рассказ о млекопитающих, а именно о лабораторной мыши – коллеге дрозофилы.

Млекопитающие, как и насекомые, имеют сегментированный (блочный) план строения тела, который затрагивает позвоночник и связанные с ним структуры. Каждый позвонок можно рассматривать как соответствующий одному сегменту, но, помимо позвоночника, в теле есть и другие сегментированные структуры. Кровеносные сосуды, нервы, блоки мышц, хрящевые диски и ребра: все эти органы следуют повторяющемуся блочному плану. У млекопитающих, как и у дрозофилы, блоки расположены теми же продольными сериями. Как и у дрозофилы, составляющие тело модули единообразны, хотя и различаются своей спецификой. И, подобно телу насекомых, которое подразделяется на голову, грудь и брюшко, тело позвоночных состоит из шейного, грудного (верхняя часть позвоночника с ребрами), поясничного (нижняя часть позвоночника без ребер) и хвостового отделов. Как и у дрозофилы, клетки, из которых сложены кости, мышцы, хрящи и так далее, должны “знать”, в каком отделе они находятся. Узнают они это от Hox-генов, явно соответствующих Hox-генам дрозофил. Правда, те далеко не идентичны, и это неудивительно, учитывая возраст сопредка № 26. И, опять-таки, как у дрозофилы, Hox-гены расположены на хромосоме в определенном порядке. Модульная организация тела позвоночных очень отличается от таковой насекомых, и нет причин считать, будто их общий предок, встреченный нами на рандеву № 26, имел сегментированное тело. Тем не менее, анализ Hox-генов показывает, что существует глубинное сходство в плане строения тела насекомых и позвоночных, позаимствованном у сопредка № 26. Этот общий план угадывается в вариациях даже у несегментированных животных.

У мыши Hox-гены располагаются не на одной хромосоме. У нее имеется четыре разных серии Hox-генов: а на хромосоме № 6, b на хромосоме № 11, c на хромосоме № 15, d на хромосоме № 2. Их сходство указывает на то, что они возникли в результате дупликации: ген а4 соответствует b4, который соответствует С4, который соответствует d4. Кроме того, имеются и делеции: некоторые участки в каждой серии отсутствуют. Так, гены а7 и b7 соответствуют друг другу, однако в сериях c и d нет претендентов на вакансию № 7.

В том случае, если на один сегмент приходится два, три или четыре различных Hox-гена, их действие складывается. И, как и у дрозофилы, мышиные Hox-гены наиболее заметно проявляют себя в первом (переднем) сегменте тела, а чем ближе к заднему концу, тем экспрессия становится меньше.

За малыми исключениями, каждый из восьми Hox-генов дрозофилы сильнее походит на аналогичный ген в мышиных сериях, чем на семь других генов в “своей” серии. К тому же порядок их расположения на хромосомах более или менее одинаков. Для каждого из восьми генов дрозофилы имеется по меньшей мере одно соответствие среди тринадцати мышиных генов. Как объяснить такое точное совпадение генов мыши и дрозофилы? Только общим происхождением – от сопредка № 26, прародителя и первичноротых, и вторичноротых. Следовательно, огромное множество животных – это потомки существа, в организме которого имелись Hox-гены, расположенные на хромосоме в том же порядке, что у современной дрозофилы и позвоночных. Подумать только!

Повторюсь: отсюда не следует, что тело сопредка № 26 было сегментированным (скорее всего, это не так). Однако у него явно присутствовал некий морфологический градиент от головы к хвосту, организованный серией гомологичных Hox-генов. Поскольку сопредки давно мертвы и уже ничем не способны помочь молекулярной биологии, любопытно поискать Hox-гены у их потомков. Сопредок № 23 – наш общий с ланцетниками прародитель. Учитывая, что у далекой в родственном отношении дрозофилы есть та же передне-задняя серия генов, что у млекопитающих, было бы удивительно, если бы у ланцетников ее не оказалось.

Этим вопросом занялся Питер Холланд и его коллеги. Полученные результаты полностью оправдали затраченные усилия. Оказалось, что блочный план строения тела ланцетника управляется четырнадцатью Hox-генами, которые выстроены в правильном порядке вдоль хромосомы. Как и у дрозофилы (но не как у мыши), эти гены образуют одну серию – а не четыре параллельных. Предположительно весь кластер когда-то дуплицировался четыре раза на линии, ведущей от сопредка № 23 к современным животным, что сопровождалось случайными потерями некоторых генов.

Hox-гены найдены у всех изученных животных, кроме гребневиков и губок (рандеву №№ 29, 31). Они есть у морских ежей, мечехвоста, креветок, моллюсков, кольчатых червей, кишечнодышащих, асцидий, нематод и плоских червей. Это неудивительно, учитывая, что все эти животные произошли от сопредка № 26. Поэтому у нас есть веское основание полагать, что у сопредка № 26 и его потомков – дрозофилы и мыши – тоже были Hox-гены.

Стрекающие, например гидра (см. рандеву № 28), радиальносимметричные, то есть у них нет ни передне-задней, ни дорсовентральной оси. У них есть лишь орально-аборальная ось. Что именно у них соответствует длинной оси, непонятно, поэтому неясно, чего ждать от их Hox-генов. Было бы здорово, если бы они предназначались для определения орально-аборальной оси, но мы не знаем, так ли это. У большинства кишечнополостных два Hox-гена, а не 8, как у дрозофилы, и не 14, как у ланцетника. Принято считать, что один из двух генов похож на передний комплекс дрозофилы, а другой – на задний. У сопредка № 28, который объединяет нас с кишечнополостными, предположительно было так. У его потомков один из двух генов несколько раз дуплицировался и образовал кластер Antennapedia, а второй – кластер Bithorax. Именно так гены размножаются в геноме (см. “Рассказ Миноги”). Однако чтобы понять, какую роль играют эти два гена в формировании тела кишечнополостных, необходимы дальнейшие изыскания.

Иглокожие, как и кишечнополостные, обладают радиальной симметрией, однако у них эта симметрия вторична. Сопредок № 25, который объединяет их с позвоночными, был двусторонне-симметричным, как червь. У иглокожих число Hox-генов варьирует: например, у морских ежей их десять. Что делают эти гены? Не скрываются ли в теле морской звезды следы предковой передне-задней оси? Или Hox-гены работают последовательно вдоль каждого из пяти ее лучей? Звучит вполне логично. Мы знаем, что Hox-гены экспрессируются в задних и передних конечностях млекопитающих. Я не хочу сказать, что Hox-гены от 1 до 13 экспрессируются по порядку от плеча до кончиков пальцев. Все гораздо сложнее, потому что конечность позвоночного не составлена из блоков. Она устроена так: сначала одна кость (плечевая в руке, бедренная в ноге), затем две кости (лучевая и локтевая в руке, большая и малая берцовые в ноге) и много маленьких косточек, последние из которых составляют пальцы рук и ног. Веерное расположение костей унаследовано от рыб и не сводится к прямолинейности Hox-генов. Однако Hox-гены все же участвуют в развитии конечностей позвоночных.

Поэтому не было бы удивительно, если бы Hox-гены экспрессировались в лучах морской звезды или офиуры (даже морских ежей можно представить как морские звезды, лучи которых завернулись вверх и, соединившись, сложили пятиконечный свод). Более того, лучи морских звезд, в отличие от наших рук и ног, имеют модульный план строения. Амбулакральные ножки с их гидравлической системой представляют собой блоки, которые повторяются двумя параллельными рядами вдоль каждого луча: как раз то, что нужно для экспрессии Hox-генов! А щупальца офиур и вовсе выглядят как пять червяков.

Гексли писал о “вечной трагедии науки – неприглядные факты убивают красивую гипотезу”. Факты касательно Hox-генов иглокожих, пожалуй, не назовешь неприглядными, однако они не укладываются в красивую схему. Здесь происходит нечто, неожиданно отличающееся красотой. У иглокожих крошечные двустороннесимметричные личинки, плавающие в планктоне. Донные взрослые особи с пятисторонней радиальной симметрией не развиваются из личинки. Они начинают формироваться в виде миниатюрной взрослой особи внутри тела личинки. Эта особь растет до тех пор, пока остальная часть личинки не будет отброшена. Hox-гены у растущей особи экспрессируются в правильном линейном порядке, но не вдоль лучей. Порядок экспрессии следует круговым маршрутом вокруг тела маленькой взрослой особи. Иными словами, если представить Hox-ось в виде “червя”, то у иглокожих не будет пяти “червей” – по одному на луч. У них лишь один “червь”, скрученный в кольцо внутри личинки. На переднем конце “червя” вырастает луч № 1, на заднем конце – № 5. Поэтому гомеозисная мутация у морской звезды должна приводить к появлению избыточных лучей. Так оно и есть, и мутантные морские звезды с шестью лучами описаны в книге Бэтсона. Существуют также виды морских звезд, имеющих гораздо большее число лучей. Предположительно они эволюционировали от предков с гомеозисными мутациями.