Вы здесь

Индивидуальное развитие

Средняя: 5 (1 оценка)
Индивидуальное развитие

Многое в нашей жизни является аналогом того, что уже есть в природе. Летучие мыши используют сонары, сердце работает, как насос, глаз аналогичен фотокамере, естественный отбор соответствует методу проб и ошибок, ген - это рецепт приготовления белка, мозг состоит из проводников (аксонов) и переключателей (синапсов), гуморальная система работает по принципу обратной связи, иммунная система действует, как контрразведка, а развитие организма напоминает развитие экономики страны. Есть еще множество примеров удивительной схожести и совпадений. Хотя некоторые аналогии достаточно схематичны, они помогают нам легко понять приемы и технологии, с помощью которых мать Природа решает свои многочисленные проблемы. Многие технические решения мы нашли самостоятельно, и только после этого стало понятно, как работает природа.

Но сейчас нам придется покинуть область простых и привычных аналогий и направиться в неизведанные земли. Одно из самых замечательных, прекрасных и загадочных явлений природы, которое происходит без видимых усилий, и чему совершенно нет аналогий в техническом мире человека, - это развитие организма из микроскопического комочка живой материи - оплодотворенной яйцеклетки. Попробуйте представить себе компьютер, или хотя бы компьютерную программу, способную на такое преобразование. Даже если Пентагон сконцентрирует все свои финансы и соберет тысячи лучших умов в пустыне Нью-Мексико, вряд ли им удастся изобрести бомбу, которая самостоятельно собиралась бы из груды металла и кучи взрывчатки, хотя кролики в этой же пустыне ежедневно успешно справляются с подобной задачей.

Никакие другие аналогии не позволяют нам понять, как природе удалось совершить этот подвиг. Где находится тот прораб, который руководит развитием яйцеклетки, и где хранится план развития? Если отложить пока версию Правицы Господней, то становится очевидным, что план находится внутри яйцеклетки. Кажется непостижимым, сложно организованный организм может выйти из неорганизованной протоплазмы. Неудивительно, что несколько столетий назад большой популярностью пользовались теории преформации. Благодаря богатому воображению исследователям удавалось увидеть внутри сперматозоида маленького гомункулуса. Теория преформации, как отметил еще Аристотель, просто отодвигает проблему вглубь, поскольку не объясняет, каким образом в сперматозоиде смог появиться сложно организованный гомункулус. Более поздние теории были не лучшие, хотя наш старый знакомый Уильям Бэтсон, неожиданно близко подошел к ответу. Он предположил, что развитием организма управляет упорядоченная серия частиц или сегментов внутри яйцеклетки. Для процесса развития он предложил термин гомеозис. В 70-х годах прошлого века за дело взялись математики и предложили многочисленные формулы, теорию стоячей волны и другие сложности. Математики ошибались. Природа нашла гораздо проще решение, хотя точность и высокая надежность процесса развития организма поражает воображение. И здесь не обошлось без генов - именно они выступают в роли прорабов (прорабов) и хранителей плана, записанного в цифровом формате. Большая группа генов, управляющих развитием, посередине хромосомы 12. Выявление этих генов и открытия принципа их работы - это, пожалуй, один из самых крупных интеллектуальных призов завоеванных современной генетикой, после того, как был сломанный код ДНК (Baterson W. 1894. Materials for the study of variation. Macmillan, London).

Яйцеклетка кажется неорганизованным сгустком протоплазмы. Но происходит серия делений клетки, и возникают две оси симметрии, проходящие от передней части эмбриона к задней и от спины к животу. У дрозофил и лягушек инструкции к эмбриону идут от материнских клеток, которые указывают, где у эмбриона должна быть голова, а где зад. У мышей и у человека асимметричность в развитии возникает позже, и никто точно не знает как. Вероятно, критическим моментом является прикрепление сгустка клеток к стенке матки. У дрозофил и лягушек асимметричное развитие происходит под управлением градиентов различных веществ синтезируемых материнскими клетками. Нет сомнений, что у млекопитающих развитие эмбриона также контролируется химическими градиентами. Каждая клетка эмбриона анализирует химический состав жидкости вокруг себя, посылает информацию в свой навигационный мини-компьютер и получает ответ: «я нахожусь в нижней части организма ближе к животу». Всегда полезно знать, где ты находишься.

Но знание местоположения - это только начало. Другой вопрос, что следует делать в той точке организма, где клетка обнаружила свое присутствие. За это отвечает ряд гомеозисных генов. По сигналам из внешней среды эти гены включают программу развития начального клетки в клетку крыла или почки. Безусловно, внутри клетки нет никаких планов и инструкций, просто включение рецептором одного гена влечет за собой серию включений других генов, а те запускают следующие гены и так шаг за шагом. Человеку проще понять развитие по плану или инструкциям, чем представить себе длинный и сложный путь от яйцеклетки в организм как децентрализованный самоуправляемый процесс, каким он и является. Поскольку каждая клетка организма содержит в себе весь геном, нет необходимости ждать команд от кого-либо еще. В каждой клетке достаточно информации для самостоятельного развития. Важно только правильно определить свои координаты в организме.

Нам трудно представить такой путь самоорганизации поскольку мы привыкли, что в нашем обществе все решения принимает правительство. Может, это нам стоит попробовать жить иначе (Tautz D., Schmid К. J. 1998. From genes to individuals: developmental genes and the generation of the phenotype. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series В353: 231-240).

Благодаря большой скорости размножения и нетребовательности, мушки дрозофилы стали любимыми объектом исследований для генетиков еще в начале прошлого века. Огромной стае плодовых мушек мы должны быть благодарны за открытие базовых принципов генетики. Именно на дрозофилах было показано, что хромосомы содержат в себе единицы наследственности - гены, и именно на плодовых мушках Мюллер открыл явление мутагенеза вызванного рентгеновским облучением. Среди мушек мутантов полученных таким путем, ученые начали проявлять экземпляры с нарушениями в развитии организма: с кавычками вместо усиков или дополнительной парой крыльев вместо жужжалец. Эти изменения указывали, что что-то неладно с гомеозиснымы генами.

В конце 1970-х годов два немецких исследователя, Яне Нюссляйн-фолхард (Jani Ntisslein-Volhard) и Эрик Вишаус (Eric Wieschaus), решили описать и изучить все известные мутации развития у дрозофил. Они добавляли в питательную среду для мух мутагенные вещества и отбирали экземпляры, у которых лапки, крылья и другие части тела не были на месте. Постепенно стала вырисовываться целостная картина из генов различного масштаба. Стало ясно, что в геноме у дрозофилы есть «стратегические» гены, контролирующие развитие основных частей тела: головы, груди и брюшка. Другие «тактические» гены определяют развитие кавычек усиков и крыльев на основных частях тела. И, наконец, «локальные» гены контролируют отдельные сегменты или области на туловище и конечностях мухи. Иными словами, гомеозисные гены дрозофилы разделены на артели и бригады со своими прорабами и руководителями, между которыми весь организм мухи разделен на зоны ответственности (Nusslein-Volhard J., Wieschaus E. 1980. Mutations affecting segment number and polarity in Dmsophila. Nature 287: 795-801).Открытиебылосовершеннонеожиданным. Ранее считалось, что каждая часть тела развивается самостоятельно в соответствии с сигналами от соседних органов. Идея о том, что для каждой части тела существует свой генетический план развития, казалась странной и неправдоподобной. Но еще больше сюрпризов принесло открытие и расшифровка самих этих генов. Данное открытие признано одним из наиболее ярких достижений науки в XX веке.

Ученые обнаружили кластер из восьми гомеозисных генов собранных вместе в одной хромосоме. В научных статьях их называют Нох-генами. Но особенно удивительным было то, что каждый из генов контролирует развитие определенного сегмента тела дрозофилы, причем на хромосоме эти гены лежат в том порядке, в котором следуют друг за другом сегменты тела. Первый ген контролирует развитие рта, второй - лицевой части головы, третий - задней части головы, четвертый - шейного сегмента, пятый - груди шестой - передней половины брюшка, седьмой - задней половины брюшка и восьмой - отдельных частей на брюшке.

Не только гены, но их последовательность на хромосоме оказались, не терпящие изменений. Чтобы оценить всю неожиданность этого открытия, нам следует знать, насколько безразлично организм относится к размещению других генов на хромосомах. Но в распределении генов по хромосомам нет и не может быть никакой логики. Иногда организму бывает полезно, чтобы один ген находился рядом с другим, но эти союзы крайне непостоянны. Что касается гомеозисных генов, то, наверное, единственный случай, когда очередность генов на хромосоме имеет смысл.

На очереди уже стоял следующий сюрприз. В 1983 году группа ученых из лаборатории Уолтера Геринга (Walter Gehring) в Базеле обнаружила, что все гомеозисные гены содержат внутри одинаковую последовательность из 180 нуклеотидов. Ее назвали гомеоблоком. Сначала это показалось странным: если все гены одинаковые, то почему один дает команду на развитие лапок, а другой - на развитие усиков? Но, пожалуй, эти команды зашифрованы в последней части генов. У всех электроприборов является вилка для включения в сеть. Невозможно отличить тостер от лампы, если смотреть только на вилку электропитания. Аналогия между гомеоблоком и вилкой включения в сеть оказалась очень близкой. Гомеоблоку соответствует фрагмент белка, с помощью которого этот белок может прикрепляться к молекуле ДНК (промотор) и включать или выключать другие гены. Все гомеозисные гены оказались прописями регуляторных белков, роль которых состоит в управлении другими генами.

Ученые использовали стабильную структуру гомеоблоков для поиска гомеозисных генов в других геномах точно так же, как старьевщик роется на свалке в поисках приборов с вилками электропитания. Коллега Геринга Эдди де Робертис (Eddie de Robertis), действуя, скорее, интуитивно обнаружил среди генов лягушки такие, в которых содержалась последовательность нуклеотидов, напоминающий гомеоблок. Затем ученый перешел к генам мыши. И здесь нашлись гены практически с таким же участком ДНК из 180 «букв». Точно так же, как и у дрозофилы, в геноме мыши эти гены были объединены в кластеры (разница заключалась в том, что было обнаружено четыре кластера гомеозисных генов) и, более того, в кластере гены были организованы в том же порядке: впереди - «ген головы», сзади - «ген хвоста».

Обнаруженная гомология между мышью и мушкой дрозофилы была достаточно неожиданной, поскольку означала что для правильного развития эмбрионов всех организмов важно не только наличие нужных генов, но и их правильная очередность на хромосоме. Но еще больше поразило то, что гомеозисные гены мухи и мыши были схожими. Так, первый ген в кластере у дрозофилы, названный lab, в точности похожий на первые гены трех кластеров в геноме мыши: ai, bi и di - и все последующие гены в кластере отвечали своим аналогам в обоих геномах (McGinnis et al. 1984. A homologous protein coding sequence in Dmsophila homeotic genes and its conservation in other metazoans. Cell 37: 403-408; Scott M., Weiner A. J. 1984. Structural relationships among genes that control development: sequence homology between the Antennapedia, Ultrabithorax, and fushi tarazu loci of Drosophila. Proceedings of the National Academy of Science of the USA 81: 4115-4119).

Есть, конечно, и различия. В геноме мыши 39 Ноx-генов организованных в четыре кластера, и в конце каждого кластера есть по пять дополнительных генов, которых нет у дрозофилы. Кластеры также отличаются. Некоторые гены представлены в одних кластерах и пропущенных в других. Но сходство гомеозисных генов мухи и мыши все же будоражит воображение. Это было настолько неожиданное открытие, что многие эмбриологи даже не восприняли его всерьез. Было очень много скептицизма и разговоров о том, что открытие является результатом сильного преувеличения случайных совпадений. Один ученый говорил, что когда впервые услышал об этом открытии сразу же отверг как «очередную сумасбродную идею Геринга». Но очень скоро стало ясно, что Геринг не шутил.

Джон Мэддокс (John Maddox), редактор журнала Nature (Nature-наиболее рейтинговый и авторитетный международный биологический журнал), назвал это открытие важнейшим за последние годы в генетике.

Эмбриологи должны низко поклониться мушке дрозофиле. В геноме человека тоже есть Нох-кластеры. Их столько же сколько и у мыши, и один из них - кластер С - лежит на хромосоме 12.

Из этого открытия выходят два основных вывода: один эволюционный, а другой прикладной. С точки зрения эволюции становится очевидной общность происхождения многоклеточных организмов от одного предка, в котором более 530 млн лет назад уже использовался точно такой механизм управления развитием эмбрионов. Данный механизм оказался настолько удачным, что он сохранился неизменным во всех ветвях эволюции, идущие от этого ствола. Все современные организмы, даже такие причудливые, как морские ежи, содержат в геномах одни и те же кластеры гомеозисных генов. Как бы ни отличались мы от мухи или морского ежа, наши эмбрионы развиваются по одному и тому же механизму. Невероятный консерватизм генов эмбриогенеза оказался полной неожиданностью абсолютно для всех. Прикладной аспект открытия состоял в том, что появилась уверенность в возможности использования знаний о генетике дрозофилы, накопленных в течение десятилетий, для объяснения и изучения работы генома человека. До сих пор ученые знают значительно больше о генетике дрозофилы, чем человека, поскольку геном мухи гораздо компактнее. При этом всегда были сомнения по поводу того применимы ли закономерности, обнаруженные на дрозофиле, к человеку. Теперь мы видим, что базовые генетические механизмы оказались консервативнее, чем это можно было предположить. Появилась возможность через призму генома дрозофилы пролить свет на геном человека.

Поразительное сходство было обнаружено между другими генами, участвующими в управлении развитием эмбриона. Ранее считалось, что голова - это изобретение хордовых у которых появились специальные гены, контролирующие развитие черепномозговой коробки на переднем края тела. Но теперь стало известно, что две пары генов мыши, контролирующих развитие мозга - Otx и Emx, - в точности соответствует генам дрозофилы, которые так же контролируют развитие председателя мухи. Ген дрозофилы несправедливо названный геном «безглазия», который управляет развитием глаз мухи, оказался идентичным соответствующему гену мыши, которому присвоили имя сч-6. Геномы мыши и человека настолько похожи, что все сказанное выше также относительно человека. Муха и человек - это всего лишь вариации проекта построения тела, который был разработан еще в нашей червеобразного общего предка, жившего в кембрийский период. У всех его предков одни и те же гены выполняют определенную работу. Конечно, есть различия иначе нас нельзя было бы отличить от мух. Но поразительны внешние различия оказались результатом незначительных вариаций основного механизма.

Исключение оказались даже убедительнее, чем само правило. Например, у мухи есть два гена, которые управляют дифференциацией спинной (дорзальной) и брюшной (вентральной) части тела. Один ген называют декапентаплегальным-то экспрессия этого гена указывает клеткам что они находятся в дорзальной части тела и им следует развиваться соответствующим образом. Другой ген называют коротким гаструлярным, и он оказывает на клетки противоположное воздействие. У лягушек, мышей и, с высокой долей вероятности, у нас с вами, есть такие же гены. «Текст» одного гена - Вмр4 - напоминает «текст» декапентаплегального гена дрозофилы, а другой ген - chordin-отвечает коротком гаструлярному гена. Но что удивительно, в мышиных генах направленность действия противоположна по сравнению с мушиными аналогами. Ген Вмр4 управляет развитием вентральной части тела, а ген chordin-дорзальной. Это говорит о том, что артроподов и хордовых перевернутые с живота на спину по отношению друг к другу. Когда-то у них был общий предок, у которого уже был вентрально-дорзальный диморфизм тела. Одни из его потомков стали ползать на животе, а другие - на спине. Сейчас трудно ответить на вопрос, у кого «правильная» сторона тела. Видимо для нашего далекого предка было безразлично, на какой стороне ползать. Это потом у его потомков появились конечности с той стороны, где они нужны. Задержимся немного на этом месте, и отдадим должное великому французскому исследователю Этьен Жоффруа Сент-Илер (Etienne Geoffroy St Hilaire), который еще в 1822 году предположил данный феномен, исходя из своих наблюдений за развитием эмбрионов, а также по тому факту, что центральный нервный ствол у насекомых находится с брюшной стороны, а у хордовых-с спинного. В течение 175 лет эта гипотеза отвергалась. Ученые полагали, что нервные системы хордовых и насекомых просто возникли и развивались параллельно и независимо друг от друга. Но теперь стало ясно, что Сент-Илер был прав (Arendt D., Nublerjung К. 1994. Inversion of the dorso-ventral axis? Nature371: 26).

Сходство между генами развития оказалась настолько впечатляющим, что ученые смогли поставить эксперименты, которые ранее никто не мог даже представить. Оказалось возможным разрушить с помощью целенаправленного мутагенеза один из гомеозисных генов дрозофилы и вставить в яйцеклетку соответствующий ген человека. Из яйцеклетки развилась нормальная муха. Данный экспериментальный метод называется генетическим комплементированием. Нох-ген из генома человека оказался комплементарным гена мухи. Так же комплементарными оказались мышиные гены Otx и этх. Чужие регуляторные гены работали настолько хорошо, что на вид невозможно было отличить, где мушках работали собственные гены и в каких - чужие (Sharman А. С, Brand M. 1998. Evolution and homology of the nervous system: cross-phylum rescues of otd / Otxgenes. Trends in Genetics 14: 211-214).

Это был триумф гипотезы о цифровой природе генетического кода. Гены-это программные модули, которые можно запустить в любой системе, поскольку в них использован один и тот же программный код и они выполняют одну и ту же работу. Даже через 530 млн лет независимого развития наши «компьютеры» могут распознать и запустить «мушиные программы» и наоборот. Аналогия живого организма с компьютером оказалась весьма удачной.

Время кембрийского эволюционного взрыва 540-520 млн лет назад время экспериментирования с дизайном многоклеточных организмов, точно так, как и 80-е годы прошлого столетия были временем экспериментов с архитектурой компьютеров. В раннем кембрии предположительно, возникли первые гомеозисные гены. Счастливые обладатели этих генов стали общими предками для хордовых, насекомых и многих других организмов, населяющих сейчас нашу планету. Нашими родоначальниками были закругленные плоские черви (roundish flat worm-гипотетично промежуточное звено между плоскими и более совершенными кольчатыми червями), что копошились в доисторической грязи кембрия. На тот момент, вероятно, они были лишь одной из многочисленных форм жизни, но их потомки унаследовали всю землю. Трудно сказать, были гомеозисные гены лучшим техническим решением или просто хорошо был поставлен маркетинг, и кто в кембрии выступал за Apple, а кто Microsoft?

Стало понятно, почему у позвоночных число генов в Нох-кластере доходит до 13, а у дрозофилы их всего восемь. У позвоночных есть еще хвост - продолжение хребта над анальным отверстием - со множеством своих позвонков. У насекомых такого сложно организованного хвоста нет. Дополнительные гены в кластере Нох у человека и мыши, которых нет у дрозофилы, необходимые для программирования позвонков хвоста или копчика. В ходе эволюции, когда наши обезьяньи предки лишились хвоста произошло ингибирования соответствующих генов работающих в мыши.

Мы подошли к наиболее интригующему вопросу: почему у всех организмов гены в кластере Нох упорядочены строго определенным образом - первый ген для головы, а последний для хвоста? Окончательного ответа на этот вопрос пока нет, но есть правдоподобные гипотезы. Первый ген в кластере не только включается в переднем отделе тела, но и первым из генов кластера включается в работу. Таким образом, к множеству генов включаются первые Нох-геном следует также отнести второй Нох-ген, и так по цепочке.

Действительно, развитие эмбрионов всех организмов начинается с головы. Так, гены в кластере Нох расположены в той последовательности, в которой они включаются в работу. Гены как бы передают эстафетную палочку друг другу. Если мы рассмотрим усложнения организма животных в ходе эволюции, то увидим, что эволюция шла в том же направлении: постепенно усложнялись конечности и задняя часть туловища, тогда как голова оставалась головой.

Так что в последовательности Нох-генов отражается также эволюция видов, что соответствует виду утверждению Эрнста Геккеля (Ernst Haeckel): «онтогенез повторяет филогенез», то есть эмбрион развивается в той последовательности, в которой происходило развитие и усложнение предковых форм этого вида (Duboule D. 1995 . Vertebrate hохgenes

and proliferation - an alternative pathway to homeosis. Current Opinion in Genetics and Development 5:525-528; Krumlauf R. 1995. Hox genes in vertebrate development. Cell7S: 191-201).

Изучение эволюции конечностей началось в 1988 году по выявлению в Гренландии камьянелостей акантостега (Acantkostega). Полурыба-полумлекопитающее, вымершее 360 млн лет назад, поразило ученых строением восьмипалой конечности, напоминает концовку сухопутных животных. Это был один из вариантов конечностей которые природа апробировала на древних рыбах, позволив им шагать по мелководью. Постепенно, после анализа многочисленных окаменелостей, начал проясняться путь эволюции от плавника рыбы до пятипалой конечности, которой обладаем мы с вами. Сначала появились изогнутые дугой и торчащие вперед из грудной клетки кости предплечий.

Затем из костей запястья образовались направленные назад костяшки пальцев. Последовательность эволюционного развития конечностей была открыта после того, как ученые построили в ряд найденные окаменелости рыб и первых сухопутных животных. И здесь палеонтологи получили экспериментальное подтверждение своей теории от эмбриологов. Оказывается, именно в такой последовательности в конечностях работают гомеозисные гены. Сначала Нох-гены создают градиент экспрессии от вершины к основанию растущей почки конечности, вследствие чего в ней возникают и развиваются кости плеча и запястья. Затем в запястье возникает новый градиент экспрессии хеджхог-генов, перпендикулярно первому градиента, который дает толчок развитию костей пальцев (Zimmer С. 1998. At the water's edge. Free Press, New York).

Изменения именно в гене sonic hedgehog привели к тому предки китов и дельфинов лишились задних конечностей (Thewissen JG et al. 2006. Developmental basis for hind-limb loss in dolphins and origin of the cetacean bodyplan. PNAS, e-pub ahead of print).

Насколько простыми были принципы индивидуального развития, и насколько сложным и многообразным оказался конечный результат. Несмотря на простоту базовых принципов, природа все еще бросает вызов инженерам. До сих пор человеку так и не удалось сконструировать машину, которая собирала бы сама себя из запчастей.

Материал статьи любезно предоставлен ст. каф. Микробиология и вирусология, Днепропетровского национального университета им. Олеся Гончара, Дохторук Андрей

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.