Якщо у вас руки ростуть не з того місця - можливо, вся справа в генах групи Hox.
Всі ми трохи мутанти, і у кожного своя ДНК, єдина і - не рахуючи близнюків і клонів - неповторна. Однак широка публіка звикла мутантів боятися, уявляючи собі якихось нещасних жителів Марса з кінохіта «Згадати все»: із зайвою рукою, відсутніми ребрами або круто деформованим тілом. Такі мутації теж відомі, і сьогодні можна штучно виростити мух з ногами на голові або мишей з двома верхніми щелепами. Головне - правильно вибрати мету - невелику групу дуже важливих генів, що визначають будову тіла тварин.
З тих пір як в 1906 році один з батьків-засновників сучасної генетики Томас Морган почав культивувати плодових мушок, вони стали одними з найбільш вивчених тварин на планеті. Невеликі розміри, невибагливість, а головне - короткий життєвий цикл зробили дрозофіл популярною моделлю для генетичних досліджень. Уже до середини ХХ століття перед очима вчених пройшли міріади мушок з самими дивними проявами мутацій, з фіолетовими або білими очима, без щетинок на голому тілі ... Але те, що побачив в кінці 1940-х співробітник Каліфорнійського технологічного інституту Едвард Льюїс, надовго зачепило його погляд . У мухи була додаткова пара крил, як у будь-якої метелики.
Формування сегментированного тіла дрозофіли починається задовго до роботи Hox-генів - ще з матричної РНК, яка впроваджується в яйцеклітину навіть до запліднення, на стадії дозрівання. Одні з них зосереджені в передній частині клітини, інші - в задній, так що в перші години розвитку ембріона, коли на цих мРНК активно синтезуються білки, в ньому виникає градієнт їх концентрації: на передньому полюсі більше білка Bicoid, на задньому - Nanos. Різна концентрація білків запускає в роботу різні гени сімейств Gap і Pair-Rule, які відповідальні за сегментування ембріона. І лише коли сегменти досить оформилися, в справу вступають гомеозисні гени Hox, пов'язані зі спеціалізацією сегментів. За відкриття цих механізмів в 1995 році Ерік Вішаус і Крістіана Нюсляйн-Фольгард розділили з Едвардом Льюісом Нобелівську премію з фізіології і медицині.
Історія мухи: розвиток
Льюїс не першим звернув увагу на таке каліцтво - і задуматися було над чим. Організм тварини розвивається з однієї клітини, і кожне нове покоління клітин несе той же початковий набір хромосом і генів (за вирахуванням статевих клітин, які з'являються не відразу). У різних тканинах і частинах тіла активується злегка різний набір генів - і клітини розвиваються по різному сценарієм. Одні утворюють ніжки дрозофіли, інші - її антени, треті - крила, підкоряючись генам, які диригують їх зростанням. Збій в роботі генів загрожує для мухи серйозними порушеннями, наприклад появою додаткової пари крил або ніг, які виросли межи очі, на місці антен.
Наш експерт Павло Єлізар'єв, молодший науковий співробітник Лабораторії регуляції генетичних процесів Інституту біології гена РАН: «Так склалося, що комплекси гомеозісних генів стали одними з найбільш вивчених у плодової мушки і інших організмів - напевно, муха з ногами на голові була вже дуже примітна. Але з часом історія стала ще цікавіше. Коли близько 30 років тому стали точно картировать мутації, що призводять до трансформацій тіла мухи, з'ясувалося, що жодна з них не перебуває всередині самих Hox-генів. Більшість зачіпають широкі геномні області навколо, які нічого не кодують: тут розташовані послідовності, що регулюють активність оточуючих генів. Працюють ці послідовності не самі по собі, а завдяки зв'язуванню з білками-активаторами або білками-репресор. Відкрився цілий новий рівень в регуляції будови тіла - і комплекси гомеозісних генів стали полігоном для вивчення некодирующей ДНК, яка в нашому з вами геномі займає близько 98% ».
Таких порушень правильного розвитку тіла у дрозофіли відомо чимало. Льюїс зазначив, що вони пов'язані з неправильним формуванням цілого сегмента - так, немов третій сегмент грудей раптом починав вважати себе другим і спішно відрощував зайві крила. Знайшовся і ген Ubx, мутації в якому запускали розвиток в невірному напрямку. А незабаром у Ubx знайшлися і родичі - ще два гени, розташованих на тій же третьої хромосомі, по сусідству з ним. І якщо вже вони роблять один сегмент подібним іншому, їх так і назвали, тільки по-латині, - гомеозіснимі (Hox).
До початку 1980-х роботи Льюїса і інших учених допомогли знайти все Hox-гени, мутації в яких роблять одні сегменти тіла мушки схожими на інші. Їх виявилося вісім, і вони утворюють дві тісні групи. Ubx і два інших складають комплекс Bithorax, який активується в дев'яти задніх сегментах тіла дрозофіли. П'ять інших працюють в сегментах грудей і голови, утворюючи комплекс Antennapedia - найзнаменнішою в цій групі виявився ген Antp: порушивши його роботу, можна виростити ноги на місці головних антен. Найцікавішим виявилося те, що Hox-гени розташовуються в геномі строго в тому ж порядку, що і їх сегменти в тілі - від голови до кінчика черевця.
Древній фрагмент-гомеобокс виявляється навіть в генах рослин, які діють спільно з генами, що містять аналогічний MADS-бокс. Більш того, MADS був знайдений практично у всіх вивчених еукаріот, включаючи дріжджі і людини, хоча функції у всіх виконує різні. У рослин під їх контролем знаходяться всі основні програми розвитку, так що вони можуть вважатися аналогами Hox-генів тварин.
Історія тварин: еволюція
У 1983 році швейцарські біологи знайшли у гомеозісних генів дрозофіли несподівану спільну рису: всі вони мали невелику, довжиною всього близько 180 нуклеотидів, але характерну послідовність, «гомеобокс». Цей дивовижний фрагмент кодує білковий домен з приблизно 60 амінокислот, який зв'язується з ДНК і виявляється практично у всіх тварин, від морських зірок і до зірок естради. Майже з тієї ж строгістю зберігається у тварин і порядок розташування Hox-генів на хромосомі. Така консервативність говорить про важливу роль, які виконують Hox-гени, і про їх запаморочливої давнини.
Невеликі зміни гомеобокс, які відрізняють одну групу тварин від іншої, дозволили простежити їх можливу історію аж до загального предка, який, швидше за все, мав базову групу з чотирьох Hox-генів. Кишковопорожнинні в такий складності не потребують, і вони втратили половину з них. Зате вже у предка білатеральних тварин, що жив близько 600 млн років тому, вони подвоїлися, і кожен взяв на себе свої, дещо відмінні від інших функції. Такі ускладнення відбувалися кілька разів, так що якщо у дрозофіли та інших комах таких генів вісім, то у хордової ланцетника - вже 14. Максимальної чисельності Hox-гени досягли у хребетних тетрапод - амфібій, рептилій, птахів і ссавців. Цей комплекс генів у нас існує в чотирьох схожих один на одного копіях, так що навіть з кількома втратами їх загальне число перевищило 30. Справді, хоча сегментування нашого тіла з боку не так помітна, як у черв'яків або комах, вона існує, і Hox-гени визначають, чи будуть хребці з'єднуватися з ребрами або зовсім зростуться в куприк. Мутація в Hox10 у мишей змушує їх відрощувати ребра навіть на животі.
Історія ящірки: регенерація
Кілька років тому петербурзькі біологи вивчили роботу Hox-генів кільчастого хробака-нерєїс в стані личинки і дорослого організму. Виявилося, що якщо у личинки робота їх проходить за класичною, знайомої ще по мушкам схемою, то у дорослого хробака вона різко змінює програму. Замість того щоб кожен Hox-ген активувався в своєму сегменті, вони включаються всюди і відрізняються лише ступенем активності. Передбачається, що це дозволяє нерєїс, який втратив хвостові сегменти, благополучно відрощувати собі нові.
Коли гени «хворіють» Ембріональний розвиток людини - неймовірно складний процес. Тому порушення в роботі Hox-генів, як правило, закінчуються викиднями ще на ранніх стадіях вагітності. Однак зрідка діти все ж з'являються на світ - одним з результатів мутацій в Hox-кластерах може бути синдром Гольденхара (геміфаціальний мікросомія). Це важке захворювання, яке пов'язане з множинними вадами розвитку і, звичайно, поки залишається невиліковним. Існують вказівки і на можливу роль генів Hox у розвитку деяких видів онкологічних хвороб - таких як лейкемія або рак молочної залози. Зазвичай майже мовчазні у дорослої людини, деякі з Hox-генів можуть знову проявляти активність в пухлинних клітинах, «прокидаючись» під впливом сигнальних молекул і гормонів росту.
Така картина - зовсім не новина навіть для куди більш складно влаштованих хребетних. Багато рептилії і амфібії, відомі здібностями регенерувати втрачені хвости і навіть кінцівки, використовують для цього ті ж гомеозисні гени. Деталі даного механізму ще погано зрозумілі, проте відомо, що навіть майже однакові, дупліціроваться Hox-кластери у саламандр несуть різні інтрони - некодуючі вставки всередині генів, які забезпечують більш широкі можливості регуляції їх активності. Можливо, такі «удосконалення» грають важливу роль в роботі Hox-генів при регенерації кінцівок. Взагалі, не дивлячись на невеликі відмінності, Hox-гени виключно консервативні і залишаються дуже схожими навіть у таких неблизьких груп тварин, як комахи і ссавці. Замінивши один з них у дрозофіли на гомологічний, взятий у миші, можна виростити абсолютно нормальну мушку. Тим більше схожі вони у людей і рептилій.
І якщо вже ящірки завдяки їм здатні, не моргнувши оком, виростити собі новий хвіст замість відкушеного, то чи допоможе точна регуляція Hox-генів людям? Дослідження в цьому напрямку вже ведуться, і якщо коли-небудь людині відновлять втрачений палець або навіть цілу руку, варто згадати, що початок всьому поклала історія мух з ногами на голові.
Стаття «Історії мутантів: гомеозисні гени» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №6, червень 2016 ).
І якщо вже ящірки завдяки їм здатні, не моргнувши оком, виростити собі новий хвіст замість відкушеного, то чи допоможе точна регуляція Hox-генів людям?