Загадка видообразования близка к разрешению

Сегментированность дисков мушиной личинки (верхний ряд), внизу нарушение ее выраженности после выключения гена Ubx. Фото Physorg

Фантазия советского писателя-фантаста Александра Беляева породила Ихтиандра – «рыбочеловека», а античные и средневековые авторы много писали о кинокефалах («псоглавцах»), кентаврах и Минотавре, не говоря уже об андрогинах и Гермафродите. На протяжении последних десятилетий мы благодаря Голливуду стали свидетелями появления бэт- и спайдерменов, Халка и совсем недавно Бёрдмена.

Химические преобразования на протяжении миллиардов лет существования вселенной породили периодически сегментированную структуру молекулы ДНК, роль сегментов в которой играют пары оснований, или «букв» ген-кода. Эта молекула верой и правдой вот уже более 3 млрд лет служит развитию жизни на Земле. Жан-Батист Ламарк в 1809 году предложил для названия этого непрекращающегося процесса слово Evolution, корень которого мы видим в словах эвольвента и вальс, револьвер и volume (объем).

Противоположностью эволюции по смыслу является консервативность: вот уже на протяжении миллиардов лет сохраняются основные принципы построения жизни на нашей планете.

Феодосий Добжанский (1900–1975), сбежавший к Томасу Моргану, автору «Хромосомной теории наследственности», опубликовал в 1937 году труд «Генетика и происхождение видов». Основные положения этого исследования были повторены Добжанским в книге «Генетика эволюционного процесса» (1970). Основным положением обеих книг было то, что генетические варианты, то есть «аллели, меняют свою частоту в ген-пуле», или популяции. Это и приводит к образованию нового вида.

По прошествии трети века биоинформатика накопила много геномных последовательностей, которые легко найти в свободном доступе в ENCODE – «Энциклопедии ДНК элементов». Журнал Nature опубликовал полученные в лаборатории Колд-Спринг-Харбора данные о соответствии тех или иных «букв» ген-кода (нуклеотидов), которые в целом меняются случайным порядком (рандомизированно). Ученые показали, что эволюция человека и его предков направлялась изменениями всего лишь 4–7,5% генома. Это противоречит ранее высказанным взглядам о 80-процентной активности нашего генома.

В полном соответствии с дээнковым сегментированным «замыслом» происходит развитие двух ветвей животного мира – позвоночных и беспозвоночных. Это хорошо видно на примере гусениц и зародышей дрозофил, личинки которых имеют поперечную исчерченность – сегменты, имагинальные диски (в память об Imago Mundi, или «Зерцало мира»). Развитие дисков даст затем сегментированное тело взрослых насекомых, разделенное на голову, грудь и брюшко. Мутации могут приводить к отсутствию крыльев и волосков на теле мушки, к дрозофилам с двойной грудью.

У генетиков подобный дефект развития получил название Ultrabithorax (Ubx), что было затем перенесено и на ген, который включили в семейство Нох. Протеины Нох, коих у дрозофилы восемь, – это факторы, регулирующие активность генов эмбриона. В норме активность Нох прекращается после завершения эмбрионального развития. У человека таких генов 40, что объясняет сегментированность его тела, хорошо видную на примере ребер грудной клетки и в структуре позвоночного столба. (А что вы хотите, ведь ДНК намного старше и консервативнее представителей обеих ветвей животного мира!). Можно напомнить, что аномальное включение Нох в виде онкогенов известно при некоторых формах рака.

Ламарк полагал, что специфичность видов порождается «внутренним стремлением», скажем, жирафа дотянуться до высоко расположенных листьев. Подобный наив был обусловлен уровнем знаний того времени. Впрочем, механизм специализации не выяснен и по сей день. Сегодня все знают, что эволюция – это процесс перехода геномных «фриков» в норму, результатом чего становятся невозможными межвидовые гибриды. А если гибриды, например мулы, и возникают, то они бесплодны.

Но известно, что виды все же каким-то образом возникают. Решить хотя бы частично этот парадокс взялись авторы статьи в журнале Cell, применившие метод высокого разрешения для анализа взаимодействия белков Нох и Ubx на регуляторных последовательностях ДНК. Оба протеина образуют стабильный комплекс, который соединяется с соседними участками специфических дээнковых последовательностей, обеспечивая тем самым поддержание и сохранения видовой специфичности.

Все это было понятно и объяснимо, но не объясняло развитие и в конечном итоге порождение нового вида. Оказалось, что помимо прочного связывания с ДНК белки могут слабо соединяться и с менее специфическими последовательностями. Это стало неожиданностью для ученых. И вполне возможно, что главная роль в нарушении границ – их дестабилизации – принадлежит гену Ubx. Его выключение приводило в экспериментах к отсутствию у личинок мух волосков, а добавление избыточных копий – к появлению волосков на сегментах, на которых его в норме нет.

Пока сложные отношения регуляторных протеинов и ДНК показаны всего лишь в одной генной системе. Но не будем забывать, что Мендель учитывал в своих опытах всего лишь семь признаков, а устойчивое расщепление, позволившее сформулировать два его знаменитых закона, лишь на примере двух. Можно также заметить, что рост волосков требует размножения и развития стволовых клеток волосяных «луковиц». И если предложенный подход позволит детально разобраться в этом, то появится надежда понять, каким образом вовлечение в процесс гена Ubx приводит в некоторых случаях к раку. Мухи, черви Caenorabditis elegans и мыши – прекрасные и довольно дешевые модели решения проблем геномики человека.