Аналогия с оригами уместнее для раннего эмбриологического развития, чем для позднего. Основной план строения тела закладывается путем серии складываний и инвагинаций слоев клеток. Позднейшие стадии развития большей частью представляют собой рост. Эмбрион “надувается”, как воздушный шар. Однако части эмбриона “надуваются” с разной скоростью и под строгим контролем. Это явление известно как аллометрия. В “Рассказе Дрозофилы” мы рассмотрим в основном раннюю, “оригамную” стадию развития, а не позднюю, инфляционную.
Клетки в эмбрионе не выкладываются по порядку, как кирпичи, согласно чертежу. Эмбриональное развитие определяется поведением клеток. Клетки притягивают или отталкивают другие клетки. Они изменяют форму различными способами. Они синтезируют вещества, которые могут распространяться, влиять на другие клетки, даже находящиеся на расстоянии. Иногда клетки выборочно погибают, освобождая место для других. Как термиты, кооперирующиеся для постройки термитника, клетки “знают”, что им делать, благодаря соседним клеткам, и градиентам концентрации химических веществ. Все клетки эмбриона содержат одни и те же гены. Поэтому различия в поведении клеток обусловливают не гены. Клетки различаются набором генов, определяющих различия в содержании белков – продуктов этих генов.
На самом раннем этапе эмбрионального развития клетка должна “узнать”, в каком положении она относительно двух осей эмбриона: передне-задней и дорсовентральной. “Узнать” – в первую очередь означает, что поведение клетки определяется ее позицией относительно химических градиентов по каждой из двух осей. Такие градиенты возникают еще в яйцеклетке и, значит, находятся под контролем материнских генов, а не ядерных генов оплодотворенного яйца. Например, в материнском генотипе дрозофилы существует ген bicoid, который экспрессируется в клетках-“кормильцах”, питающих яйца. Белок, который синтезирует ген bicoid, доставляется в яйцо, где он распределяется градиентно от одного конца к другому. Получившийся градиент концентрации этого белка (и других подобных веществ) определяет передне-заднюю ось эмбриона. Сходные градиенты, расположенные перпендикулярно, определяют дорсовентральную ось.
Эти маркирующие концентрации сохраняются в клетках, которые образуются при последующих делениях яйца. Первые несколько делений происходят без добавления нового материала и являются неполными: образуется много ядер, но они не полностью разделяются клеточными стенками. Такую многоядерную “клетку” называют синцитием. Позднее формируются перегородки, и эмбрион становится по-настоящему клеточным. В ходе этого процесса сохраняются исходные химические градиенты. Поэтому клеточные ядра в разных частях эмбриона окружены разными концентрациями ключевых веществ, соответствующих исходным градиентам осей яйцеклетки. В результате в разных клетках включаются разные гены (теперь речь, конечно, идет о генах не матери, а эмбриона). Так начинается дифференциация клеток, и тот же принцип определяет дальнейшую дифференциацию на более поздних стадиях развития. Исходные градиенты, заданные материнскими генами, уступают место новым, более сложным, которые создаются собственными генами эмбриона. Последующие расхождения линий эмбриональных клеток приводят к дальнейшим дифференциациям.
Тело членистоногих разделено на клетки, а если увеличить масштаб, то на сегменты. Они выстроены продольно от передней части головы до конца брюшка. У насекомых шесть головных сегментов: на втором расположены антенны, после чего следуют сегменты мандибул (челюстей) и других частей ротового аппарата. Сегменты головы взрослой особи находятся слишком близко друг к другу, чтобы было заметно их передне-заднее расположение. Но порядок головных сегментов можно увидеть у эмбриона. Три грудных сегмента (T1, T2 и T3) выстроены в линию, и каждый несет пару ног. На сегментах T2 и T3 обычно расположены крылья, но у дрозофил и других мух крылья только на T2. Вторая пара “крыльев” модифицирована в жужжальца – небольшие булавовидные органы на сегменте T3, которые играют роль миниатюрных гироскопов, нужных для управления движениями мухи. У некоторых ранних ископаемых насекомых было три пары крыльев, по одной на каждом грудном сегменте. За грудными сегментами располагаются более многочисленные брюшные сегменты (одиннадцать у некоторых насекомых, восемь у дрозофил, если мы учитываем гениталии на заднем конце тела). Клетки благодаря особым контролирующим генам, Hox-генам, “знают”, в каком они сегменте, и ведут себя соответственно.
Все было бы просто, если бы я мог сообщить вам, что в каждом сегменте есть по одному Hox-гену, который работает во всех клетках данного сегмента. Еще лучше, если бы Hox-гены были выстроены вдоль хромосомы в том же порядке, что и сегменты, в которых работают. В действительности все не настолько красиво, но довольно близко к этому. Hox-гены действительно выстроены в правильном порядке вдоль хромосомы, и это замечательный подарок природы, учитывая то, что нам известно о работе генов. Однако количество Hox-генов не соответствует числу сегментов: этих генов всего восемь. Кроме того, есть еще одно осложнение. Сегменты взрослого насекомого не совсем соответствуют парасегментам личинки. Не спрашивайте меня, почему (наверное, у Творца был выходной). Однако каждый сегмент взрослого насекомого состоит из задней половины одного личиночного парасегмента и передней половины следующего. (Я буду использовать здесь слово “сегмент” в значении “(пара)сегмент” личинки.) Теперь о том, как восемь Hox-генов обслуживают около семнадцати сегментов: отчасти это происходит благодаря химическим градиентам. Каждый Hox-ген экспрессируется преимущественно в одном сегменте, но также и в позади идущих сегментах, причем концентрация его снижается по мере движения назад. Сравнивая химические продукты нескольких вышерасположенных Hox-генов, клетка “узнает”, в каком она сегменте.
Восемь Hox-генов собраны в два генных комплекса (кластера), физически разделенных на одной хромосоме. Это комплекс Antenna-pedia и комплекс Bithorax. (Оба названия крайне неудачны. Комплекс генов называют по одному члену этого комплекса, значение которого не больше, чем значение остальных. Хуже того, названия генов, как правило, определяются эффектом, который наблюдается при их нарушении, а не их нормальной функцией. Было бы уместнее назвать их, например, передним Hox-комплексом и задним Hox-комплексом.)
Кластер Bithorax состоит из трех последних Hox-генов, которые названы Ultrabithorax, Abdominal-A и Abdominal-B. Они отвечают за формирование задней части тела животного. Ultrabithorax экспрессируется с сегмента № 8 до заднего конца тела. Abdominal-A экспрессируется с сегмента № 10 до конца, а Abdominal-B – с сегмента № 13 до конца. Продукты этих генов синтезируются в уменьшающейся концентрации по мере движения к заднему концу тела животного от отправных точек. Поэтому, сравнивая концентрации продуктов трех Hox-генов, клетка в задней части личинки может узнать, в каком сегменте она находится, и вести себя соответствующим образом. Примерно то же происходит в переднем конце тела личинки, где работают пять Hox-генов из кластера Antennapedia.
Итак, назначение Hox-гена – определять свое положение в теле и информировать об этом другие гены в той же клетке. Теперь мы знаем достаточно, чтобы перейти к гомеозисным мутациям. Когда в работе Hox-гена что-то не так, клетки сегмента получают неверную информацию о своем местоположении, и тогда они выстраивают тот сегмент, в котором, как им кажется, они находятся. В результате получается, например, нога, растущая на сегменте, на котором в норме растет антенна. Это вполне логично. Клетки любого сегмента способны собрать любой другой сегмент. Почему бы и нет? Инструкции хранятся в клетках каждого сегмента. В нормальных условиях Hox-гены включают правильные инструкции. Как верно подозревал Бэтсон, гомеозисная аномалия служит ключом к разгадке нормальной работы системы.
У мух, в отличие от большинства насекомых, в норме лишь одна пара крыльев, дополненная парой гироскопических жужжалец. Гомеозисная мутация Ultrabithorax вводит в заблуждение клетки третьего грудного сегмента, заставляя их считать, будто они во втором грудном сегменте. Поэтому они кооперируются для создания дополнительной пары крыльев вместо пары жужжалец. Известен мутант мучного хрущака (Tribolium), у которого антенны на всех пятнадцати сегментах. Кажется, все клетки решили, что они во втором сегменте.
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.
