Ктулху фхтагн! - Воистину фхтагн!
Оригинал взят у macroevolution в Про Ктулху и его универсальный геном
Эта статья была опубликована в безвременно сгинувшем журнале "Что нового в науке и технике" в 2008 году и, как видите, актуальна по сей день. Спасибо bbzhukov за наводку и Виктории Александровне Скобеевой (к.б.н., кафедра биологической эволюции биофака МГУ) за предоставленный текст.
Ктулху фхтагн!
Кирпичи и корни дерева жизни
Виктория Скобеева
Со времен Чарльза Дарвина сходство организмов принято объяснять их эволюционным родством. Целью систематики стало построение Дерева, в основании которого - гипотетический общий предок всей земной жизни. Предок этот до сих пор остается гипотетическим, однако доказательств единства всего живого к нашему времени накопилось предостаточно. Еще до появления теории Дарвина было известно, что все живые организмы состоят из клеток. Позднее была открыта их биохимическая общность, а в середине ХХ века - универсальность генетического кода. Общность обнаружилась не только в целом, но и в деталях: некоторые белки оказались общими для многих или даже всех земных организмов. Например, цитохром С сохраняет свою структуру у всех животных, растений и микроорганизмов, все эукариоты имеют общие ДНК-полимеразы и многие другие белки, связанные с обеспечением жизнедеятельности клетки - так называемые белки «домашнего хозяйства». Универсальность этих белков понятна: они должны все время быть активны во всех клетках, без них клетка просто погибнет, поэтому постоянство их структуры жестко контролируется естественным отбором. Соответственно, и гены, кодирующие эти белки, очень мало меняются в процессе эволюции.
Но в 1984 году были открыты гены, общие для насекомых и позвоночных, и при этом работающие далеко не во всех клетках. Первыми были обнаружены гены, мутации в которых приводили к замене одного органа дрозофилы на другой - например, антенны на ногу.Другая мутация превращала жужжальца в полноценные крылья, в результате чего получалась муха с четырьмя крыльями. Такие мутации получили название гомеозисных мутаций, а гены, в которых они происходили - гомеозисных генов. Гомеозисные гены (их еще называют семейством hox-генов, по имени одного из представителей) оказались удивительно консервативными. Они очень похожи не только у дрозофилы и мыши - по мере изучения других представителей животного царства их обнаружили у кольчатых червей, нематод, моллюсков и даже медуз. Видимо, ими обладают все многоклеточные животные, кроме губок. Правда, в функционировании этих генов у мыши и дрозофилы наблюдаются некоторые отличия: гомеозисные гены у мыши есть, а гомеозисных мутаций - нет. Можно выключить, «нокаутировать» какой-нибудь из hox-генов мыши, но получить таким образом морфологически правильную структуру - к примеру, мышь с ногами вместо челюстей - нельзя: у таких мышей вместо челюстей получается не пойми что.
Вскоре было обнаружено еще одно семейство генов, общих для многих многоклеточных организмов. Это семейство - pax6 - оказалось связанным с развитием глаз у таких разных животных, как дрозофила, мышь и кальмар. У всех троих глаза возникли явно независимо и имеют совершенно разное строение. Однако если в геном дрозофилы ввести дополнительные копии мышиного гена pax6, у развившейся из такой клетки мухи по всему телу образуются маленькие неправильные глазки. Это убедительно доказывает, что мышиный ген очень мало изменился и вполне может быть «понят» тканями дрозофилы.
Дальше - больше. Многие гены, получившие названия по вызываемым ими мутациям дрозофилы, оказались вовлеченными в самые разные процессы, происходящие в организмах позвоночных. Таково, например, семейство генов wnt, обнаруженное у дрозофилы по мутации wingless - «бескрылая». Wnt-белки (в молекулярной биологии и ген, и его продукт - белок обычно носят одно и то же название; в тех случаях, когда речь идет о гене, оно пишется курсивом) оказались большим семейством факторов роста - сигнальных молекул, побуждающих те или иные клетки к делению и формированию соответствующей ткани. Белки этого семейства широко используются в развитии и мыши, и дрозофилы.
Рецептор для wnt - белок fz - определяет у дрозофилы плоскую полярность клетки и был замечен по мутации, вызывающей рост щетинок в разные стороны. А вот у рыбы данио мутации в гене fz вызывают нарушение формирования передне-задней оси тела. Получается, что один и тот же химический сигнал сообщает клеткам дрозофилы, где у них «верх» и «низ», а зародышам рыб и амфибий - где у них будет «зад» и «перед».
Семейство генов wnt у млекопитающих насчитывает 19 классов, которые можно сгруппировать в 12 подсемейств. Каково же было удивление исследователей, обнаруживших 11 из этих подсемейств у полипа Nematostella vectensis, чей геном был недавно расшифрован. Получается, что гены семейства wnt существуют в таком удивительном разнообразии уже 650 миллионов лет. Nematostella - представитель типа кишечнополостных, его ближайшие родственники - кораллы, строители рифов. Для чего же им нужно столько генов? Неужели для поимки добычи щупальцами и переваривания в гастральной полости?
Тут возможны два подхода. Первый - функциональный: посмотреть, чем же занимается каждый из генов семейства wnt в организме полипа, в каких тканях и на каком этапе развития он экспрессируется (то есть с него считывается белок) - благо Nematostella хорошо культивируется. Второй - экстремистский: объявить кишечнополостных обладателями «лишней» генетической информации, доставшейся им по наследству от общего предка всех многоклеточных.
Пример такого экстремистского подхода можно найти в работе американского биохимика Михаила Шермана. Он считает, что согласно дарвиновской теории, сложность организмов (а значит, и сложность их геномов) должна нарастать со временем. Но у нематостеллы wnt-подсемейств почти столько же, сколько и у позвоночных, а у нематод и насекомых - гораздо меньше. Если сложность не нарастает, значит, общий предок кишечнополостных и двусторонне-симметричных животных обладал геномом, в котором содержалась большинство генов всех его потомков. (Дупликацию, т. е. увеличение числа копий одного и того же гена Шерман считает редким способом эволюции генома). Поскольку этот огромный и очень сложный геном явно превышал все мыслимые потребности общего предка всех многоклеточных, он, по мнению Шермана, был нефункциональным. То есть организм этот своим геномом - или, по крайней мере, большей его частью - не пользовался. Но для чего ему тогда вообще был нужен этот геном и как он мог возникнуть? Шерман считает, что объяснить появление такого универсального генома можно только сверхъестественным вмешательством. Недаром его взгляды пользуются такой популярностью у всевозможных сторонников «теории разумного творения» (в частности, упрощенное изложение его концепции опубликовано на сайте еврейского культурно-религиозного центра «Маханаим»).
Творчески развивая этот подход, можно даже попытаться определить, кто же был этим гипотетическим общим предком всех многоклеточных. Всем критериям Шермана наилучшим образом отвечает Ктулху - исполинский монстр, созданный воображением американского писателя-фантаста Говарда Филлипса Лавкрафта. В самом деле, Ктулху спит в мертвом городе Р’льех в Тихом океане и может себе позволить никаким геномом не пользоваться. Правда, если им не пользоваться и при этом размножаться, в нем очень быстро накопятся поломки - но Ктулху и не размножается. Не вызывает сомнения и внеземное происхождение Ктулху - он один из меньших Старейших, древних и ужасных божеств, пришедших на Землю со звезд. И морфология у Ктулху подходящая - щупальца вокруг рта напоминают кишечнополостных, в остальном же теле прослеживается двусторонняя симметрия. Все по Шерману: все признаки потомков есть у предка. Конечно, неизвестно зачем ему драконьи крылья, но по сравнению с нефункциональным геномом это просто мелочь.
Если же говорить серьезно, то в основе этих рассуждений лежит простой методологический просчет. Шерман везде предполагает полное соответствие между генотипом и его проявлением в фенотипе, а слова «программы развития» вообще никак не расшифровывает. На каждый ген есть своя программа, которая, раз возникнув, не меняется. Мысль, что разные организмы могут совершенно по-разному использовать одни и те же белки и белковые комплексы, в такой парадигме даже не рассматривается. Между тем, если допустить, что те же самые кишечнополостные экспрессируют так много белков семейства wnt для того, чтобы опознавать, например, клеточные популяции с разными свойствами, можно обойтись без мистического вмешательства. И попробовать реконструировать общего предка всех многоклеточных, оставаясь в рамках науки.
Вернемся к функциональному подходу. У нематостеллы действительно экспрессируется несколько семейств генов wnt, причем в разных зародышевых листках и на разных стадиях индивидуального развития. Интересно то, что ген wnt5, не экспрессирующийся у дрозофилы, и ген wnt7, экспрессия которого у нее подтверждена единичным сообщением, экспрессируются у нематостеллы в разных зародышевых листках. У эмбриона нематостеллы wnt5 работает в энтодерме, а wnt7 - в эктодерме, строго на определенном конце зародыша - там, где будет формироваться рот. Данные неожиданные: ведь общими для всех билатерально-симметричных животных являются другие гены семейства wnt: wnt1, wnt6 и wnt10. Логично ожидать, что именно эти общие гены и обнаружатся у кишечнополостных, стоящих ближе всего к общему предку всех двусторонне-симметричных животных, и будут играть какую-нибудь ключевую роль. Они действительно обнаруживаются, однако их экспрессию не удается «привязать» к оси тела нематостеллы, а ключевую роль в определении полярности играют именно wnt5 и wnt7.
Видимо, и дрозофила, и нематода Сaenorabditis elegans - вообще плохие объекты для эволюционных выводов - слишком много генетического разнообразия предков они утратили. Даже внутри класса насекомых дрозофила выглядит бедной общими генами сироткой - у медоносной пчелы, например, найдено 23 общих с млекопитающими гена, которых у дрозофилы нет. В свое время исследователи выделили 674 нуклеотидных последовательности, имеющихся у человека, рыбы фугу и асцидии Cione, но отсутствующих у дрозофилы и Сaenorabditis. Эти последовательности сочли специфичными для хордовых, но позднее около половины из них нашли у других представителей насекомых и нематод.
Большинство общих для всех многоклеточных животных генов - это гены сигнальных веществ, рецепторов к ним, а также транскрипционных факторов (белков, запускающих считывание определенных генов). Wnt - это сигнальные белки, взаимодействующие со многими рецепторами. Основной рецептор к wnt - белок fz - также встречается как у позвоночных, так и у беспозвоночных, а с ним и все члены так называемого «канонического» пути wnt - белок β-катенин, белки LRF и TCR/LEF и многие другие. Wnt у позвоночных и у дрозофилы участвует в совершенно разных морфогенетических процессах, однако функция его как белка не меняется - он взаимодействует с рецептором (как правило, одним и тем же) и обеспечивает его активацию.
Столь же показательный пример консервативности самого белка и разнообразия его морфогенетической роли - это Toll-like рецепторы. У позвоночных они участвуют в реакциях врожденного иммунного ответа, опознавая молекулярные структуры, характерные для возбудителей болезней. У дрозофилы Toll-рецепторы участвуют в определении спинно-брюшной оси тела. Однако «с точки зрения» самого белка Toll его функция остается неизменной - это трансмембранный белок, узнающий какую-то молекулу во внешней среде и передающий сигнал внутрь клетки.
Консервативное семейство генов pax6 - это транскрипционные факторы, связанные с формированием светочувствительных органов. Они регулируют самые разные белки, однако функция самого pax6 остается постоянной - это транскрипционный фактор, он связывается с ДНК и обеспечивает транскрипцию регулируемых им генов. Знаменитое семейство hox - тоже гены транскрипционных факторов.
История hox-генов и родственного ему para-hox-кластера вообще кажется детективной. И у многощетинкового червя нереиса, и у дрозофилы, и у нематоды, и у человека hox-гены экспрессируются строго в том порядке, в котором расположены в хромосоме. Последнее обстоятельство натолкнуло ученых на мысль, что дело здесь в организации самого хроматина. Раз возникнув, последовательная активация генов оказалась исключительно удобной для самых разных разметок, как в пространстве, так и во времени. У дрозофилы, скажем, hox-гены экспрессируются каждый в своем сегменте. Сначала - «головные» в голове, потом - «грудные» в груди, и наконец - «брюшные» в брюшке. У нереиса, как показала блестящая работа ученых из Санкт-Петербурга, каждый сегмент может экспрессировать все hox-гены в разное время. Это существо состоит из многочисленных сегментов, из которых два первых (головные) и последний (хвостовой) уникальны, а несколько десятков туловищных практически одинаковы. В ходе эмбрионального развития молодой сегмент сначала экспрессирует «головные» гены. Если ему суждено стать головой, то на этом все и кончается. Если же он войдет в состав туловища, в нем вслед за «головными» начинают работать «туловищные» гены. А весь набор hox-генов доведется последовательно «включить» тем сегментам, которые станут хвостовыми. Многощетинковый червь еще не разделил время и пространство, у него каждый сегмент имеет свой собственный возраст. У мухи - полное разделение, и голове никогда не стать брюшком.
Проводя аналогию с сегодняшними реалиями, можно сказать, что hox-гены - это тэги, обозначающие последовательность включения других генов. Никого же не удивляет, что тэги одинаковые, а страницы - разные. Это - специальный инструмент для общения с ДНК, как язык html - для общения с браузером. Появление такого инструмента необходимо многоклеточному организму с регулярной структурой, и в этом нас убеждает наличие похожего кластера генов у высших растений. Это АBC-кластер, обеспечивающий формирование цветка у покрытосеменных. Экспрессия А-гена обеспечивает развитие чашелистика, совместная экспрессия А и B - развитие лепестка, B и C - тычинки, и С - пестика. Такая система существует как у двудольных, так и у однодольных, что свидетельствует о ее древнем происхождении. У голосеменных найдены участки, сходные с генами В и С, которые экспрессируются похожим образом, их предположительная функция - определение взаимного расположения женских и мужских репродуктивных органов. Листья-то могут быть расположены по-разному, а вот тычинки и пестики - нет, особенно у покрытосеменных. Насекомые, прилетающие за нектаром, должны так или иначе вытереться о тычинки и собрать пыльцу, что диктует внутреннее расположение пестиков и наружное - тычинок.
Животные столкнулись с проблемой пространственного распределения органов гораздо раньше, и все - из-за своей неспособности к фотосинтезу. За едой надо было ползти, а для этого желательно иметь какую-то ось тела. Ну хотя бы одну, как кишечнополостные: нематостелла хоть и родственник кораллов, а ползает очень ловко. Однако большинство животных имеют даже две - передне-заднюю и спинно-брюшную. Первична из них, судя по hox-генам, передне-задняя. Спинно-брюшную полярность первично- и вторичноротые делают по-разному, а вот передне-заднюю - одинаково: с помощью hox-генов. Можно думать, что общий предок первично- и вторичноротых (в том числе человека и дрозофилы) имел передне-заднюю ось тела, а со спиной и брюхом еще не определился. Были у него также светочувствительные пигменты (это можно заключить из консервативности гена pax6), пищеварительная трубка делилась на передний, средний и задний участок (об этом нам говорит консервативность генов para-hox-кластера) и множество разных клеточных популяций, еще не собравшихся в ткани и органы, как показывает экспрессия генов wnt. В общем, вполне убедительное животное с представимой экологией. Во всяком случае - не Ктулху.
«Что нового в науке и технике» № 5 (60), 2008.
Upd^ Там в коментах возникли странные, с моей точки зрения, рассуждения плавно переходящие в какой-то срач. Собственно смысл в том, что Шермана в приведенном выше тексте "поливают грязью". Например, эта ветка. Сразу хочу сказать, что не вижу в приведенном тексте не только поливания грязью, но и просто некорректного обращения. Имеет место вполне логичный прием "reductio ad absurdum" (в выделенном фрагменте), но даже если его просто выкинуть, то ни содержание ни дух текста не пострадает. Все ИМХО предельно корректно, оскорблений и мешаний с грязью умного и уважаемого человека не наблюдается. Как-то народ нервно на все реагирует...
Upd2^ В продолжение дискуссии: Мнение о " самовольной цензуре". Письмо Шермана. Ну и не надо забывать об истории с Ариэльским университетом.
Эта статья была опубликована в безвременно сгинувшем журнале "Что нового в науке и технике" в 2008 году и, как видите, актуальна по сей день. Спасибо bbzhukov за наводку и Виктории Александровне Скобеевой (к.б.н., кафедра биологической эволюции биофака МГУ) за предоставленный текст.
Ктулху фхтагн!
Кирпичи и корни дерева жизни
Виктория Скобеева
Со времен Чарльза Дарвина сходство организмов принято объяснять их эволюционным родством. Целью систематики стало построение Дерева, в основании которого - гипотетический общий предок всей земной жизни. Предок этот до сих пор остается гипотетическим, однако доказательств единства всего живого к нашему времени накопилось предостаточно. Еще до появления теории Дарвина было известно, что все живые организмы состоят из клеток. Позднее была открыта их биохимическая общность, а в середине ХХ века - универсальность генетического кода. Общность обнаружилась не только в целом, но и в деталях: некоторые белки оказались общими для многих или даже всех земных организмов. Например, цитохром С сохраняет свою структуру у всех животных, растений и микроорганизмов, все эукариоты имеют общие ДНК-полимеразы и многие другие белки, связанные с обеспечением жизнедеятельности клетки - так называемые белки «домашнего хозяйства». Универсальность этих белков понятна: они должны все время быть активны во всех клетках, без них клетка просто погибнет, поэтому постоянство их структуры жестко контролируется естественным отбором. Соответственно, и гены, кодирующие эти белки, очень мало меняются в процессе эволюции.
Но в 1984 году были открыты гены, общие для насекомых и позвоночных, и при этом работающие далеко не во всех клетках. Первыми были обнаружены гены, мутации в которых приводили к замене одного органа дрозофилы на другой - например, антенны на ногу.Другая мутация превращала жужжальца в полноценные крылья, в результате чего получалась муха с четырьмя крыльями. Такие мутации получили название гомеозисных мутаций, а гены, в которых они происходили - гомеозисных генов. Гомеозисные гены (их еще называют семейством hox-генов, по имени одного из представителей) оказались удивительно консервативными. Они очень похожи не только у дрозофилы и мыши - по мере изучения других представителей животного царства их обнаружили у кольчатых червей, нематод, моллюсков и даже медуз. Видимо, ими обладают все многоклеточные животные, кроме губок. Правда, в функционировании этих генов у мыши и дрозофилы наблюдаются некоторые отличия: гомеозисные гены у мыши есть, а гомеозисных мутаций - нет. Можно выключить, «нокаутировать» какой-нибудь из hox-генов мыши, но получить таким образом морфологически правильную структуру - к примеру, мышь с ногами вместо челюстей - нельзя: у таких мышей вместо челюстей получается не пойми что.
Вскоре было обнаружено еще одно семейство генов, общих для многих многоклеточных организмов. Это семейство - pax6 - оказалось связанным с развитием глаз у таких разных животных, как дрозофила, мышь и кальмар. У всех троих глаза возникли явно независимо и имеют совершенно разное строение. Однако если в геном дрозофилы ввести дополнительные копии мышиного гена pax6, у развившейся из такой клетки мухи по всему телу образуются маленькие неправильные глазки. Это убедительно доказывает, что мышиный ген очень мало изменился и вполне может быть «понят» тканями дрозофилы.
Дальше - больше. Многие гены, получившие названия по вызываемым ими мутациям дрозофилы, оказались вовлеченными в самые разные процессы, происходящие в организмах позвоночных. Таково, например, семейство генов wnt, обнаруженное у дрозофилы по мутации wingless - «бескрылая». Wnt-белки (в молекулярной биологии и ген, и его продукт - белок обычно носят одно и то же название; в тех случаях, когда речь идет о гене, оно пишется курсивом) оказались большим семейством факторов роста - сигнальных молекул, побуждающих те или иные клетки к делению и формированию соответствующей ткани. Белки этого семейства широко используются в развитии и мыши, и дрозофилы.
Рецептор для wnt - белок fz - определяет у дрозофилы плоскую полярность клетки и был замечен по мутации, вызывающей рост щетинок в разные стороны. А вот у рыбы данио мутации в гене fz вызывают нарушение формирования передне-задней оси тела. Получается, что один и тот же химический сигнал сообщает клеткам дрозофилы, где у них «верх» и «низ», а зародышам рыб и амфибий - где у них будет «зад» и «перед».
Семейство генов wnt у млекопитающих насчитывает 19 классов, которые можно сгруппировать в 12 подсемейств. Каково же было удивление исследователей, обнаруживших 11 из этих подсемейств у полипа Nematostella vectensis, чей геном был недавно расшифрован. Получается, что гены семейства wnt существуют в таком удивительном разнообразии уже 650 миллионов лет. Nematostella - представитель типа кишечнополостных, его ближайшие родственники - кораллы, строители рифов. Для чего же им нужно столько генов? Неужели для поимки добычи щупальцами и переваривания в гастральной полости?
Тут возможны два подхода. Первый - функциональный: посмотреть, чем же занимается каждый из генов семейства wnt в организме полипа, в каких тканях и на каком этапе развития он экспрессируется (то есть с него считывается белок) - благо Nematostella хорошо культивируется. Второй - экстремистский: объявить кишечнополостных обладателями «лишней» генетической информации, доставшейся им по наследству от общего предка всех многоклеточных.
Пример такого экстремистского подхода можно найти в работе американского биохимика Михаила Шермана. Он считает, что согласно дарвиновской теории, сложность организмов (а значит, и сложность их геномов) должна нарастать со временем. Но у нематостеллы wnt-подсемейств почти столько же, сколько и у позвоночных, а у нематод и насекомых - гораздо меньше. Если сложность не нарастает, значит, общий предок кишечнополостных и двусторонне-симметричных животных обладал геномом, в котором содержалась большинство генов всех его потомков. (Дупликацию, т. е. увеличение числа копий одного и того же гена Шерман считает редким способом эволюции генома). Поскольку этот огромный и очень сложный геном явно превышал все мыслимые потребности общего предка всех многоклеточных, он, по мнению Шермана, был нефункциональным. То есть организм этот своим геномом - или, по крайней мере, большей его частью - не пользовался. Но для чего ему тогда вообще был нужен этот геном и как он мог возникнуть? Шерман считает, что объяснить появление такого универсального генома можно только сверхъестественным вмешательством. Недаром его взгляды пользуются такой популярностью у всевозможных сторонников «теории разумного творения» (в частности, упрощенное изложение его концепции опубликовано на сайте еврейского культурно-религиозного центра «Маханаим»).
Творчески развивая этот подход, можно даже попытаться определить, кто же был этим гипотетическим общим предком всех многоклеточных. Всем критериям Шермана наилучшим образом отвечает Ктулху - исполинский монстр, созданный воображением американского писателя-фантаста Говарда Филлипса Лавкрафта. В самом деле, Ктулху спит в мертвом городе Р’льех в Тихом океане и может себе позволить никаким геномом не пользоваться. Правда, если им не пользоваться и при этом размножаться, в нем очень быстро накопятся поломки - но Ктулху и не размножается. Не вызывает сомнения и внеземное происхождение Ктулху - он один из меньших Старейших, древних и ужасных божеств, пришедших на Землю со звезд. И морфология у Ктулху подходящая - щупальца вокруг рта напоминают кишечнополостных, в остальном же теле прослеживается двусторонняя симметрия. Все по Шерману: все признаки потомков есть у предка. Конечно, неизвестно зачем ему драконьи крылья, но по сравнению с нефункциональным геномом это просто мелочь.
Если же говорить серьезно, то в основе этих рассуждений лежит простой методологический просчет. Шерман везде предполагает полное соответствие между генотипом и его проявлением в фенотипе, а слова «программы развития» вообще никак не расшифровывает. На каждый ген есть своя программа, которая, раз возникнув, не меняется. Мысль, что разные организмы могут совершенно по-разному использовать одни и те же белки и белковые комплексы, в такой парадигме даже не рассматривается. Между тем, если допустить, что те же самые кишечнополостные экспрессируют так много белков семейства wnt для того, чтобы опознавать, например, клеточные популяции с разными свойствами, можно обойтись без мистического вмешательства. И попробовать реконструировать общего предка всех многоклеточных, оставаясь в рамках науки.
Вернемся к функциональному подходу. У нематостеллы действительно экспрессируется несколько семейств генов wnt, причем в разных зародышевых листках и на разных стадиях индивидуального развития. Интересно то, что ген wnt5, не экспрессирующийся у дрозофилы, и ген wnt7, экспрессия которого у нее подтверждена единичным сообщением, экспрессируются у нематостеллы в разных зародышевых листках. У эмбриона нематостеллы wnt5 работает в энтодерме, а wnt7 - в эктодерме, строго на определенном конце зародыша - там, где будет формироваться рот. Данные неожиданные: ведь общими для всех билатерально-симметричных животных являются другие гены семейства wnt: wnt1, wnt6 и wnt10. Логично ожидать, что именно эти общие гены и обнаружатся у кишечнополостных, стоящих ближе всего к общему предку всех двусторонне-симметричных животных, и будут играть какую-нибудь ключевую роль. Они действительно обнаруживаются, однако их экспрессию не удается «привязать» к оси тела нематостеллы, а ключевую роль в определении полярности играют именно wnt5 и wnt7.
Видимо, и дрозофила, и нематода Сaenorabditis elegans - вообще плохие объекты для эволюционных выводов - слишком много генетического разнообразия предков они утратили. Даже внутри класса насекомых дрозофила выглядит бедной общими генами сироткой - у медоносной пчелы, например, найдено 23 общих с млекопитающими гена, которых у дрозофилы нет. В свое время исследователи выделили 674 нуклеотидных последовательности, имеющихся у человека, рыбы фугу и асцидии Cione, но отсутствующих у дрозофилы и Сaenorabditis. Эти последовательности сочли специфичными для хордовых, но позднее около половины из них нашли у других представителей насекомых и нематод.
Большинство общих для всех многоклеточных животных генов - это гены сигнальных веществ, рецепторов к ним, а также транскрипционных факторов (белков, запускающих считывание определенных генов). Wnt - это сигнальные белки, взаимодействующие со многими рецепторами. Основной рецептор к wnt - белок fz - также встречается как у позвоночных, так и у беспозвоночных, а с ним и все члены так называемого «канонического» пути wnt - белок β-катенин, белки LRF и TCR/LEF и многие другие. Wnt у позвоночных и у дрозофилы участвует в совершенно разных морфогенетических процессах, однако функция его как белка не меняется - он взаимодействует с рецептором (как правило, одним и тем же) и обеспечивает его активацию.
Столь же показательный пример консервативности самого белка и разнообразия его морфогенетической роли - это Toll-like рецепторы. У позвоночных они участвуют в реакциях врожденного иммунного ответа, опознавая молекулярные структуры, характерные для возбудителей болезней. У дрозофилы Toll-рецепторы участвуют в определении спинно-брюшной оси тела. Однако «с точки зрения» самого белка Toll его функция остается неизменной - это трансмембранный белок, узнающий какую-то молекулу во внешней среде и передающий сигнал внутрь клетки.
Консервативное семейство генов pax6 - это транскрипционные факторы, связанные с формированием светочувствительных органов. Они регулируют самые разные белки, однако функция самого pax6 остается постоянной - это транскрипционный фактор, он связывается с ДНК и обеспечивает транскрипцию регулируемых им генов. Знаменитое семейство hox - тоже гены транскрипционных факторов.
История hox-генов и родственного ему para-hox-кластера вообще кажется детективной. И у многощетинкового червя нереиса, и у дрозофилы, и у нематоды, и у человека hox-гены экспрессируются строго в том порядке, в котором расположены в хромосоме. Последнее обстоятельство натолкнуло ученых на мысль, что дело здесь в организации самого хроматина. Раз возникнув, последовательная активация генов оказалась исключительно удобной для самых разных разметок, как в пространстве, так и во времени. У дрозофилы, скажем, hox-гены экспрессируются каждый в своем сегменте. Сначала - «головные» в голове, потом - «грудные» в груди, и наконец - «брюшные» в брюшке. У нереиса, как показала блестящая работа ученых из Санкт-Петербурга, каждый сегмент может экспрессировать все hox-гены в разное время. Это существо состоит из многочисленных сегментов, из которых два первых (головные) и последний (хвостовой) уникальны, а несколько десятков туловищных практически одинаковы. В ходе эмбрионального развития молодой сегмент сначала экспрессирует «головные» гены. Если ему суждено стать головой, то на этом все и кончается. Если же он войдет в состав туловища, в нем вслед за «головными» начинают работать «туловищные» гены. А весь набор hox-генов доведется последовательно «включить» тем сегментам, которые станут хвостовыми. Многощетинковый червь еще не разделил время и пространство, у него каждый сегмент имеет свой собственный возраст. У мухи - полное разделение, и голове никогда не стать брюшком.
Проводя аналогию с сегодняшними реалиями, можно сказать, что hox-гены - это тэги, обозначающие последовательность включения других генов. Никого же не удивляет, что тэги одинаковые, а страницы - разные. Это - специальный инструмент для общения с ДНК, как язык html - для общения с браузером. Появление такого инструмента необходимо многоклеточному организму с регулярной структурой, и в этом нас убеждает наличие похожего кластера генов у высших растений. Это АBC-кластер, обеспечивающий формирование цветка у покрытосеменных. Экспрессия А-гена обеспечивает развитие чашелистика, совместная экспрессия А и B - развитие лепестка, B и C - тычинки, и С - пестика. Такая система существует как у двудольных, так и у однодольных, что свидетельствует о ее древнем происхождении. У голосеменных найдены участки, сходные с генами В и С, которые экспрессируются похожим образом, их предположительная функция - определение взаимного расположения женских и мужских репродуктивных органов. Листья-то могут быть расположены по-разному, а вот тычинки и пестики - нет, особенно у покрытосеменных. Насекомые, прилетающие за нектаром, должны так или иначе вытереться о тычинки и собрать пыльцу, что диктует внутреннее расположение пестиков и наружное - тычинок.
Животные столкнулись с проблемой пространственного распределения органов гораздо раньше, и все - из-за своей неспособности к фотосинтезу. За едой надо было ползти, а для этого желательно иметь какую-то ось тела. Ну хотя бы одну, как кишечнополостные: нематостелла хоть и родственник кораллов, а ползает очень ловко. Однако большинство животных имеют даже две - передне-заднюю и спинно-брюшную. Первична из них, судя по hox-генам, передне-задняя. Спинно-брюшную полярность первично- и вторичноротые делают по-разному, а вот передне-заднюю - одинаково: с помощью hox-генов. Можно думать, что общий предок первично- и вторичноротых (в том числе человека и дрозофилы) имел передне-заднюю ось тела, а со спиной и брюхом еще не определился. Были у него также светочувствительные пигменты (это можно заключить из консервативности гена pax6), пищеварительная трубка делилась на передний, средний и задний участок (об этом нам говорит консервативность генов para-hox-кластера) и множество разных клеточных популяций, еще не собравшихся в ткани и органы, как показывает экспрессия генов wnt. В общем, вполне убедительное животное с представимой экологией. Во всяком случае - не Ктулху.
«Что нового в науке и технике» № 5 (60), 2008.
Upd^ Там в коментах возникли странные, с моей точки зрения, рассуждения плавно переходящие в какой-то срач. Собственно смысл в том, что Шермана в приведенном выше тексте "поливают грязью". Например, эта ветка. Сразу хочу сказать, что не вижу в приведенном тексте не только поливания грязью, но и просто некорректного обращения. Имеет место вполне логичный прием "reductio ad absurdum" (в выделенном фрагменте), но даже если его просто выкинуть, то ни содержание ни дух текста не пострадает. Все ИМХО предельно корректно, оскорблений и мешаний с грязью умного и уважаемого человека не наблюдается. Как-то народ нервно на все реагирует...
Upd2^ В продолжение дискуссии: Мнение о " самовольной цензуре". Письмо Шермана. Ну и не надо забывать об истории с Ариэльским университетом.