Истории мутантов: гомеозисные гены

Роман Фишман
«Популярная механика» №6, 2016
Если у вас руки растут не из того места — возможно, все дело в генах группы Hox.
Все мы немного мутанты, и у каждого своя ДНК, единственная и — не считая близнецов и клонов — неповторимая. Однако широкая публика привыкла мутантов бояться, представляя себе каких-нибудь несчастных жителей Марса из кинохита «Вспомнить всё»: с лишней рукой, недостающими ребрами или круто деформированным телом. Такие мутации тоже известны, и сегодня можно искусственно вырастить мух с ногами на голове или мышей с двумя верхними челюстями.
Главное, правильно выбрать цель — небольшую группу очень важных генов, определяющих строение тела животных.
С тех пор как в 1906 году один из отцов-основателей современной генетики Томас Морган начал культивировать плодовых мушек, они стали одними из самых изученных животных на планете. Небольшие размеры, неприхотливость, а главное — короткий жизненный цикл сделали дрозофил популярной моделью для генетических исследований. Уже к середине ХХ века перед глазами ученых прошли мириады мушек с самыми странными проявлениями мутаций, с фиолетовыми или белыми глазами, без щетинок на голом теле... Но то, что увидел в конце 1940-х сотрудник Калифорнийского технологического института Эдвард Льюис, надолго зацепило его взгляд. У мухи была дополнительная пара крыльев, как у какой-нибудь бабочки.

История мухи: развитие

Льюис не первым обратил внимание на такое уродство — и задуматься было над чем. Организм животного развивается из одной клетки, и каждое новое поколение клеток несет тот же первоначальный набор хромосом и генов (за вычетом половых клеток, которые появляются не сразу). В разных тканях и частях тела активируется слегка разный набор генов — и клетки развиваются по разному сценарию. Одни образуют ножки дрозофилы, другие — ее антенны, третьи — крылья, повинуясь генам, которые дирижируют их ростом. Сбой в работе генов чреват для мухи серьезными нарушениями, например появлением дополнительной пары крыльев или ног, выросших между глаз, на месте антенн.

Кто контролирует контролеров Формирование сегментированного тела дрозофилы начинается задолго до работы Hox-генов — еще с матричной РНК, которая внедряется в яйцеклетку даже до оплодотворения, на стадии созревания. Одни из них сосредоточены в передней части клетки, другие — в задней, так что в первые часы развития эмбриона, когда на этих мРНК активно синтезируются белки, в нем возникает градиент их концентрации: на переднем полюсе больше белка Bicoid, на заднем — Nanos. Разная концентрация белков запускает в работу разные гены семейств Gap и Pair-Rule, которые ответственны за сегментирование эмбриона. И лишь когда сегменты достаточно оформились, в дело вступают гомеозисные гены Hox, связанные со специализацией сегментов. За открытие этих механизмов в 1995 году Эрик Вишаус и Кристиана Нюсляйн-Фольхард разделили с Эдвардом Льюисом Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Таких нарушений правильного развития тела у дрозофилы известно немало. Льюис отметил, что они связаны с неправильным формированием целого сегмента — так, словно третий сегмент груди вдруг начинал считать себя вторым и спешно отращивал лишние крылья. Нашелся и ген Ubx, мутации в котором запускали развитие в неверном направлении. А вскоре у Ubx нашлись и родственники — еще два гена, расположенных на той же третьей хромосоме, по соседству с ним. И раз уж они делают один сегмент подобным другому, их так и назвали, только по-латыни, — гомеозисными (Hox).

Наш эксперт Павел Елизарьев, младший научный сотрудник лаборатории регуляции генетических процессов Института биологии гена РАН: Так сложилось, что комплексы гомеозисных генов стали одними из самых изученных у плодовой мушки и других организмов — наверное, муха с ногами на голове была уж очень примечательна. Но со временем история стала еще интересней. Когда около 30 лет назад стали точно картировать мутации, приводящие к трансформациям тела мухи, выяснилось, что ни одна из них не находится внутри самих Hox-генов. Большинство затрагивают широкие геномные области вокруг, которые ничего не кодируют: здесь расположены последовательности, регулирующие активность окружающих генов. Работают эти последовательности не сами по себе, а благодаря связыванию с белками-активаторами или белками-репрессорами. Открылся целый новый уровень в регуляции строения тела — и комплексы гомеозисных генов стали полигоном для изучения некодирующей ДНК, которая в нашем с вами геноме занимает около 98%.

К началу 1980-х работы Льюиса и других ученых помогли найти все Hox-гены, мутации в которых делают одни сегменты тела мушки похожими на другие. Их оказалось восемь, и они образуют две тесные группы. Ubx и два других составляют комплекс Bithorax, который активируется в девяти задних сегментах тела дрозофилы. Пять остальных работают в сегментах груди и головы, образуя комплекс Antennapedia — самым знаменательным в этой группе оказался ген Antp: нарушив его работу, можно вырастить ноги на месте головных антенн. Самым интересным оказалось то, что Hox-гены располагаются в геноме строго в том же порядке, что и их сегменты в теле — от головы до кончика брюшка.

Упорядоченное расположение — «от головы к хвосту» — гомеозисные гены, за немногочисленными исключениями, сохраняют у всех животных

История животных: эволюция

В 1983 году швейцарские биологи нашли у гомеозисных генов дрозофилы неожиданную общую черту: все они имели небольшую, длиной всего около 180 нуклеотидов, но характерную последовательность, «гомеобокс». Этот удивительный фрагмент кодирует белковый домен из примерно 60 аминокислот, который связывается с ДНК и обнаруживается практически у всех животных, от морских звезд и до звезд эстрады. Почти с той же строгостью сохраняется у животных и порядок расположения Hox-генов на хромосоме. Такая консервативность говорит о важной роли, которую выполняют Hox-гены, и об их головокружительной древности.
Небольшие изменения гомеобокса, которые отличают одну группу животных от другой, позволили проследить их возможную историю вплоть до общего предка, который, скорее всего, имел базовую группу из четырех Hox-генов. Кишечнополостные в такой сложности не нуждаются, и они утеряли половину из них. Зато уже у предка билатеральных животных, жившего около 600 млн лет назад, они удвоились, и каждый взял на себя свои, слегка отличные от других функции. Такие усложнения происходили несколько раз, так что если у дрозофилы и прочих насекомых таких генов восемь, то у хордового ланцетника — уже 14. Максимальной численности Hox-гены достигли у позвоночных тетрапод — амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Этот комплекс генов у нас существует в четырех похожих друг на друга копиях, так что даже с несколькими потерями их общее число превысило 30. В самом деле, хотя сегментированность нашего тела со стороны не так заметна, как у червей или насекомых, она существует, и Hox-гены определяют, будут ли позвонки соединяться с ребрами или вовсе срастутся в копчик. Мутация в Hox10 у мышей заставляет их отращивать ребра даже на животе.

В соседних царствах Древний фрагмент-гомеобокс обнаруживается даже в генах растений, которые действуют совместно с генами, содержащими аналогичный MADS-бокс. Более того, MADS был найден практически у всех изученных эукариот, включая дрожжи и человека, хотя функции у всех выполняет разные. У растений под их контролем находятся все основные программы развития, так что они могут считаться аналогами Hox-генов животных.

История ящерицы: регенерация

Несколько лет назад петербургские биологи изучили работу Hox-генов кольчатого червя-нереиса в состоянии личинки и взрослого организма. Оказалось, что если у личинки работа их проходит по классической, знакомой еще по мушкам схеме, то у взрослого червя она резко меняет программу. Вместо того чтобы каждый Hox-ген активировался в своем сегменте, они включаются везде и отличаются лишь степенью активности. Предполагается, что это позволяет нереису, потерявшему хвостовые сегменты, благополучно отращивать себе новые.
Такая картина — вовсе не новость даже для куда более сложно устроенных позвоночных. Многие рептилии и амфибии, известные способностями регенерировать утраченные хвосты и даже конечности, используют для этого те же гомеозисные гены. Детали данного механизма еще плохо понятны, однако известно, что даже почти одинаковые, дуплицированные Hox-кластеры у саламандр несут разные интроны — некодирующие вставки внутри генов, которые обеспечивают более широкие возможности регуляции их активности. Возможно, такие «усовершенствования» играют важную роль в работе Hox-генов при регенерации конечностей.
Вообще, несмотря на небольшие различия, Hox-гены исключительно консервативны и остаются очень похожими даже у таких неблизких групп животных, как насекомые и млекопитающие. Заменив один из них у дрозофилы на гомологичный, взятый у мыши, можно вырастить совершенно нормальную мушку. Тем более сходны они у людей и рептилий.

Когда гены «болеют» Эмбриональное развитие человека — невероятно сложный процесс. Поэтому нарушения в работе Hox-генов, как правило, заканчиваются выкидышами еще на ранних стадиях беременности. Однако изредка дети все же появляются на свет — одним из результатов мутаций в Hox-кластерах может быть синдром Гольденхара (гемифациальная микросомия). Это тяжелейшее заболевание, которое связано с множественными пороками развития и, конечно, пока остается неизлечимым. Существуют указания и на возможную роль генов Hox в развитии некоторых видов онкологических болезней — таких как лейкемия или рак молочной железы. Обычно почти молчащие у взрослого человека, некоторые из Hox-генов могут снова проявлять активность в опухолевых клетках, «просыпаясь» под влиянием сигнальных молекул и гормонов роста.

И если уж ящерицы благодаря им способны, не моргнув глазом, вырастить себе новый хвост вместо откушенного, то поможет ли точная регуляция Hox-генов людям? Исследования в этом направлении уже ведутся, и если когда-нибудь человеку восстановят потерянный палец или даже целую руку, стоит вспомнить, что начало всему положила история мух с ногами на голове.

источник