Гомеотические гены и модели тела

Каждый организм имеет уникальный рисунок тела. Хотя специализированные структуры тела, такие как руки и ноги, могут быть похожи по строению (и те, и другие состоят из мышц и костей), их форма и детали различаются. Пока эмбрион растет, руки и ноги развиваются по-разному из-за действия гомеозисных генов, которые определяют, как развиваются структуры в разных сегментах тела.

Ученые открыли гомеозисные гены, изучая странные преобразования у плодовых мушек, в том числе у мух, у которых вместо рта были ноги, дополнительные пары крыльев или две пары органов равновесия (называемых жужжальцами) вместо крыльев. У некоторых вместо усиков из головы росли ноги!
Ученые назвали эти модификации «гомеотической трансформацией», потому что одна часть тела как бы заменялась другой. Исследователи, в том числе группа, возглавляемая Эдом Льюисом из Калифорнийского технологического института, обнаружили, что многие из этих трансформаций были вызваны дефектами в отдельных генах, которые они назвали гомеозисными, или Hox, генами.
Эта работа продемонстрировала, что антенные клетки несут всю информацию, необходимую для превращения в ножки. Это общий принцип: каждая клетка организма несет в своей ДНК всю информацию, необходимую для построения всего организма.

Вверху: (слева) обычная плодовая муха; (Справа) Плодовая муха с мутацией в гене антеннопедии Внизу: (Слева) Нормальная дрозофила; (Справа) Плодовая муха с гомеотической мутацией, дающей ей два грудных отдела. Нижние изображения предоставлены архивом Калифорнийского технологического института.

Гены в разных организмах, которые имеют сходную последовательность и функцию, называются гомологичными генами.

Плодовые мушки начинают свою жизнь как червеобразные существа, состоящие из повторяющихся единиц или сегментов. В начале развития гены Hox включаются в разных сегментах. Паттерны активности гена Hox придают каждому сегменту индивидуальность, сообщая ему, где он находится в теле и какие структуры он должен расти. Например, гены, активные в голове, направляют рост частей рта и усиков, а гены, активные в грудной клетке, направляют рост ног и крыльев.
Изменения в экспрессии гена Hox изменяют идентичность сегмента. Например, на первом сегменте грудной клетки обычно растут ноги, на втором — ноги и крылья, а на третьем — ноги и жужжальца. Когда активность гена Hox в третьем сегменте становится такой же, как во втором, у обоих сегментов вырастают ноги и крылья (см. фотографии выше).
Изучая последовательности ДНК гомеозисных генов у плодовых мушек, исследователи обнаружили, что все они имеют одинаковый участок примерно из 180 оснований; они назвали этот участок гомеобоксом. Гомеобокс — это всего лишь часть каждого гена. Если бы приведенные ниже слова были гомеозисными генами, то гомеобокс обозначался бы заглавными буквами:
Исследователи использовали сходство последовательностей ДНК, чтобы найти гены с гомеобоксами у других видов, включая других насекомых, червей и даже млекопитающих. Вместе эти гены составляют семейство генов Hox (Hox — это сокращение от гомеобокс).
Интересно, что гены Hox расположены кластерами. Как правило, их порядок в хромосоме такой же, как и порядок их появления на теле. Другими словами, гены слева контролируют формирование паттерна в голове, а гены справа контролируют формирование паттерна в хвосте.

Почти каждое протестированное животное имеет в своей ДНК последовательности гомеобокса, что позволяет предположить, что гены Hox возникли очень рано в генеалогическом древе животных. Считается, что генетические последовательности, сохраняющиеся на протяжении эволюции, особенно важны для базового развития даже отдаленно родственных организмов. Наличие последовательностей гомеозисных генов у таких разных животных, как медузы, насекомые и млекопитающие, позволяет предположить, что эти гены выполняют важную функцию у многих, а возможно, и у всех животных.
Ученые изучили последовательности ДНК, функции и организацию генов, чтобы узнать об эволюционных отношениях. Hox-гены открыли много ключей к разгадке эволюции генеалогического древа животных.
Сходство среди Hox-генов, особенно в общей последовательности гомеобокса, предполагает, что все они произошли от одного предкового гена, который многократно дублировался. После каждого события дупликации гены постепенно менялись, выполняя несколько иную работу. Этот процесс известен биологам-эволюционистам как «удвоение и дивергенция».
Первые дупликации произошли очень давно. Животное, жившее около миллиарда лет назад, предок всех животных, имело как минимум 4 гена Hox. К 600 миллионам лет назад у предка всех современных животных, обладающих билатеральной симметрией, это число выросло как минимум до 7. Мы знаем это, потому что животные, произошедшие от этого предка, имеют гомологи этих генов.
Дополнительные события дублирования произошли в некоторых ветвях генеалогического древа животных. У насекомых, например, был продублирован ген рядом с правым концом кластера. У позвоночных удвоился весь Hox-кластер — 3 раза у млекопитающих и до 8 раз у некоторых видов рыб. Затем двойные гены могли свободно выполнять новые функции, что часто приводило к более сложным структурам тела.

Гены Hox имеют не только общую последовательность ДНК, но и общие функции. Гены мышиных Hox могут замещать их гомологи у мух. И когда они активируются в других сегментах, мышиные гены могут вызывать гомеозисные преобразования у мух.

Как и другие гены, Hox-гены более сходны у близкородственных видов и менее похожи у более отдаленно родственных видов. Сравнивая сходство последовательностей, ученые могут определить, когда в истории эволюции произошли определенные события дупликации и где по пути были потеряны некоторые Hox-гены (дополнительные приобретения и потери произошли внутри отдельных видов в каждой группе).

Hox-гены кодируют белки, которые прикрепляются к молекулярным переключателям ДНК, включая и выключая другие гены. ДНК-связывающая часть белка Hox называется гомеодоменом и кодируется гомеобоксом. Гомеодомены в разных Hox-белках сходны, но не идентичны — они связываются с разными последовательностями ДНК. Итак, разные Hox-белки регулируют разные наборы генов, а комбинации Hox-белков, работающие вместе, регулируют другие наборы генов.
Как регуляторы других генов, Hox-белки очень эффективны. Один белок Hox может регулировать активность многих генов. И наборы генов работают вместе, чтобы выполнять «программы» во время эмбрионального развития — например, программы для построения ноги или антенны — так же, как компьютерные программы выполняют определенные задачи.

Огромное разнообразие животных основано на двух простых идеях: телах, состоящих из повторяющихся единиц (или сегментов), и генетических программах для построения структур.
Только у членистоногих (показаны справа) вариации на эту тему привели к огромному разнообразию типов тела. И действительно, во многих случаях домены активности гена Hox параллельны различным типам структур, вырастающих из сегментов тела животных.
Цветные полосы выделяют сегменты тела, имеющие сходную идентичность; вы можете думать о каждом цвете как о запуске отдельной генетической программы: например, программы «ноги» или программы «антенны». Как только программа для построения структуры существует, ее можно повторно использовать в другом месте, просто изменив экспрессию гена Hox. Легко увидеть, как добавление некоторых сегментов и запуск в них программы «ноги» может построить организм с еще несколькими наборами ног.
А сами генетические программы можно модифицировать (через изменения в генах «ног» или «антенн») для построения немного иных структур. Например, программа «крыло» возникла не на пустом месте — это просто модифицированная программа «нога».
Генетическое изменение, которое приводит к изменению формы тела, может позволить организму более эффективно захватывать пищу или избегать хищников, давая ему репродуктивное преимущество. Его гены могут преимущественно передаваться следующему поколению, влияя таким образом на ход эволюции.

У позвоночных (животных, у которых есть позвоночник) весь кластер Hox дублируется несколько раз. Мыши и другие млекопитающие имеют четыре кластера Hox. Все четыре похожи, но все разные. Сходные гены в разных кластерах называются паралогами.
Большинство паралогов имеют частично перекрывающиеся функции, поэтому выяснить, как функционируют Hox-гены у позвоночных, непросто: эффекты изменения одного гена часто скрыты за функционирующими генами в одной и той же паралогической группе. Но изменение функции нескольких генов в группе может иметь драматические последствия.
На фотографиях слева, предоставленных исследовательской группой Марио Капеччи из Университета Юты, видны передние лапы мыши. Деактивация того или иного паралога имеет тонкие эффекты (два средних изображения). Но при отключении обоих получается совершенно другая конечность (справа). Этот и другие эксперименты показали, что гены Hox у мышей работают почти так же, как и у плодовых мушек.

Хотя мыши и другие позвоночные не так явно сегментированы, как членистоногие, некоторые области их тела на самом деле сегментированы. Позвонки со всеми связанными с ними мышцами и костями вырастают из повторяющихся единиц эмбриона, называемых сомитами. Hox-гены (часто в комбинации) помогают определить идентичность сомитов, направляя их развитие по-разному в зависимости от того, где они находятся в организме.
Точно так же, как Hox-гены у членистоногих направляют сегменты для роста ног, крыльев или антенн, Hox-гены у позвоночных направляют сегменты для роста ребер (или нет) или костей, которые сливаются вместе, образуя крестец.
Эксперименты на мышах показывают, как гены Hox влияют на идентичность позвонков. У эмбрионов мышей гены Hox10 выключают программу «ребра». Обычно гены активны в нижней части спины, где из позвонков не растут ребра, и неактивны в средней части спины, где из позвонков растут ребра. Когда паралоги Hox10 экспериментально инактивируются, в позвонках нижней части спины вырастают ребра. Нечто подобное могло произойти и в природе. У змей гены Hox10 утратили свою способность блокировать ребра, что может быть причиной того, что у них растут ребра от головы до хвоста.
Hox-гены играют гораздо больше ролей в развитии позвоночных. Они помогают определить разницу между рукой и ногой, а также мизинцем и большим пальцем. В нервной системе их экспрессия в сегментированных эмбриональных структурах, называемых ромбомерами, направляет развитие различных областей мозга.
Hox-гены — захватывающий пример того, как один ген, который делал что-то хорошо, был скопирован и переназначен в процессе эволюции, чтобы делать еще больше.

(Слева) Эмбрион мыши с сомитами; (Справа) Позвоночный столб взрослой мыши. Цвета показывают позвонки с разной идентичностью. Области активности гена Hox показаны скобками на эмбрионе.