Эрнст Геккель (1834-1919), немецкий зоолог, основоположник биологии индивидуального развития и экологии. Известен также своими расистскими взглядами, вдохновлявшими Гитлера во время написания Mein Kampf. Онтогенез — развитие отдельной особи; филогенез — происхождение и эволюция вида.
//ox-гены лишь дают отмашку развитию эмбриона, установив для него оси развития от головы к хвосту и от спины к животу. За счет последовательного, растянутого во времени включения генов гомеозисного кластера каждый из них работает в своем сегменте тела. Теперь уже по сегментам каждый Нох-ген запускает каскад регулируемых им генов развития, многие из которых сами являются регуляторами других генов. Благодаря этому сегменты тела развиваются по своему индивидуальному плану и отличаются друг от друга. Так, одни сегменты превращаются в конечности, другие — в крылья. Полиморфизм органов и частей тела достигается не только за счет многообразия регуляторных генов, но и за счет того, что один и тот же сигнал по-разному интерпретируется в разных частях тела. Возьмем, например, уже знакомый нам декапентаплегальный (decapent- aplegic) ген дрозофилы. Синтезируемый под его контролем регуляторный белок управляет как развитием лапок мухи, так и развитием крыльев. Этот ген, в свою очередь, запускается белком другого гена, называемого hedgehog (ежик). Работа этого белка состоит в том, что он взаимодействует с другим белком, блокирующим промоторную часть декапен- таплегального гена, и заставляет его освободить промотор и разблокировать ген. Ген hedgehog относится к так называемым сегментно-полярным генам, т.е. он работает во всех сегментах тела, но только в их дистальных (краевых) частях. Если в эмбрионе мушки дрозофилы в сегменте, в котором образуются крылья, перенести частицу из края сегмента в среднюю часть, то у мухи вырастут «зеркальные» крылья с двумя сросшимися фронтальными половинками посредине и двумя задними опахалами по краям.
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 (Зоник Хеджхог), 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.) Точнотакже, какудрозофилы, назначение гена sonic hedgehog и его партнеров состоит в том, чтобы установить в конечностях оси фронтально-дорзаль- ной 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 хеджхог 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 N sslein-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 так в честь героя компьютерных игр кота 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 Нохггенов.
Изучение эволюции конечностей началось в 1988 году с обнаружения в Гренландии окаменелостей акантостега (Acanthostega). Полурыба-полумлекопитающее, вымершее 360 млн лет назад, поразило ученых строением восьмипа- лой 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 Нох-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 хеджхог-ге- нов, перпендикулярный первому градиенту, который дает толчок развитию костей пальцев (Zimmer С. 1998. At the water's edge. Free Press, New York).
И 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).
Hoxгенами иhedgehog-rewAMii 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), Kriippel (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-дорзальную 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.
