Глава четырнадцатая

Генетика развития

Фотошоп – это фотографическая генетика.

Знаете ли вы, что среди наших генов есть домохозяйки и сибариты?

Не ищите в очередной раз опечатки там, где их нет.

Речь идет не о детерминантах и силлогизмах, а именно о домохозяйках и сибаритах. Среди наших генов.

Среди наших генов есть так называемые «гены домашнего хозяйства» (по-английски: «housekeeping genes»), которые отвечают за поддержание универсальных клеточных функций. И не только у нас есть такие гены. Гены домашнего хозяйства и гены роскоши (luxury genes), обеспечивающие специализированные функции, есть у всех организмов.

Как вы думаете – что относится к домашнему хозяйству?

Начнем с самого важного – с ДНК. Репликация, транскрипция, трансляция, репарация – это составные части клеточного домашнего хозяйства. Их можно сравнить с мелким ремонтом, поддержанием порядка и уборкой.

Что еще входит в домашнее хозяйство?

Конечно же готовка, обеспечение трех- или сколько-то там разового питания. Применительно к клетке – обеспечение процессов обмена веществ и энергии. Обычно говорят просто: «обмен веществ», забывая об энергии, но это не совсем правильно, поскольку параллельно с обменом веществ протекает и обмен энергии.

В одном доме может жить инженер, в другом – композитор, в третьем – столяр, в четвертом – полицейский, в пятом – веселая компания студентов, но кем бы ни были жильцы, без домохозяек им не обойтись. Это к тому, что гены домашнего хозяйства экспрессируются, то есть проявляют активность, во всех клетках нашего организма. Присутствовать-то все гены в каждой клетке присутствуют, любая клетка организма обладает полным набором генов, но дело не в этом, а в том, какие именно гены проявляют в данной клетке активность.

Гены роскоши обеспечивают выполнение специализированных функций и, следовательно, проявляют экспрессию только там, где нужно, в тех клетках, которым эти функции присущи. Обеспечение того, чтобы в нужных клетках были бы «включены» нужные гены, осуществляется при помощи эпигенетических «инструментов», с которыми мы познакомились в предыдущей главе. Если ген не «включили», он ведет праздную жизнь – бездельничает, как и положено настоящему паразиту. То есть, пардон, сибариту.

Кроме генов-домохозяек и генов-сибаритов, в генотипе присутствуют гены-руководители (а как же без них?), о которых и пойдет речь в этой главе. В предыдущей главе рассказывалось о эпигенетических «инструментах», «включающих» и «выключающих» определенные гены в нужный момент. Но о том, в чьих руках находятся эти инструменты, сказано не было. А находятся они, конечно же, в руках генов, ответственных за развитие организма. Такой вот «парадокс», очередной генетический парадокс в кавычках – даже за эпигенетические процессы отвечают гены. Иначе и быть не может, потому что гены отвечают за все, что происходит в организме. В любом – хоть у одноклеточной бактерии, хоть у стариллионноклеточного человека.

Разумеется, в генетике существует особый раздел, изучающий реализацию наследственной информации, путь от гена к признаку. Этот раздел называется генетикой развития.

Мы с вами уже знаем, что все клетки многоклеточного организма, независимо от их типа, содержат одинаковый и полный набор генов. Геном во всех клетках организма един, а вот «оборот» генов различается. В одних клетках одни гены выведены из оборота, в других – другие.

Но было время, когда ученые считали, что разные клетки имеют разные геномы. Мол, в процессе развития организма «ненужные» гены из исходного набора, полученного при слиянии сперматозоида и яйцеклетки, утрачиваются клетками, а остаются только непосредственно нужные для жизнедеятельности.

Вообще-то, на первый взгляд такое предположение кажется логичным, поскольку от ненужного в организме положено избавляться. Например, ненужные белки расщепляются на аминокислоты, из которых затем синтезируются нужные белки. А зачем, к примеру, клеткам слизистой оболочки желудка нужны гены, обеспечивающие развитие мышечных волокон?

Но вы уже, наверное, привыкли к тому, что все кажущееся правильным и логичным на первый взгляд, на второй уже таковым не кажется. Клеткам для нормальной жизнедеятельности необходим полный набор хромосом, присущий данному биологическому виду. Полный набор хромосом со всеми положенными генами. «Включать» и «выключать» их можно, а исключать – нельзя. Видимо, существует некий, пока еще не открытый учеными, баланс, нарушение которого чревато серьезными сбоями в работе отдельных клеток и всего организма в целом. На существование такого баланса прозрачно намекают последствия, вызываемые наличием дополнительных хромосом. Много не мало, а выходит плохо.

Гипотезу избавления всех живых клеток от ненужных генов подкрепляло уменьшение количества генетического материала в процессе индивидуального развития, обнаруженное у паразитических круглых червей (самым известным представителем этого типа является аскарида), некоторых двукрылых насекомых и веслоногих ракообразных (это не всем известные раки, а мелкие рачки), а также у одноклеточных инфузорий. Это явление получило название диминуции хроматина. Его открыли еще в конце XIX века, когда о генах никто и понятия не имел. Ученые просто наблюдали за тем, как хромосомы в соматических клетках распадаются на фрагменты, которые затем объединяются в новые, более мелкие хромосомы, а часть хромосомного материала «растворяется» в цитоплазме. Позже диминуция хроматина получила научное объяснение – таким образом клетки избавлялись от ненужного генетического материала.

Почему бы у человека и других млекопитающих не быть тому, что есть у аскарид?

То, что в процессе индивидуального развития организма (по-научному это называется онтогенезом) все клетки сохраняют полный геном, было доказано почти шестьдесят лет назад при помощи технически сложного (особенно на тот момент), но зато весьма убедительного эксперимента.

Собственные ядра в яйцеклетках лягушки заменили на ядра эпителиальных клеток, выстилающих изнутри кишечник головастика. Эпителиальные клетки, выстилающие поверхность нашего тела и его полости, – это весьма и весьма «узкоспециализированные» клетки. Они имеют ограниченный набор функций, который мы рассматривать не станем, ибо нам это не важно. Важно то, что если бы клетки избавлялись от ненужных генов, то эпителиальные клетки непременно бы лишились довольно весомой части своего генома. Ну а из яйцеклетки с неполным геномом нормальный многоклеточный организм развиться не сможет, сами понимаете.

Обратите внимание на то, что в ходе этого эксперимента гаплоидное ядро яйцеклетки, содержащее одинарный набор хромосом, заменили на диплоидное ядро эпителиальной клетки, в котором набор хромосом был двойным. То есть оплодотворять такую яйцеклетку не требовалось. С точки зрения оценки хромосомного набора эпителиальной клетки эксперимент был «чистейшим» – никаких посторонних хромосом, только свои.

И что же вы думаете? Примерно из одного процента яйцеклеток развились полноценные взрослые особи. Здесь был важен не процент успешных развитий, а полноценность взрослой лягушки. Если фенотип получился полным, значит, и генотип был полным.

На начальных стадиях развития организма (многоклеточного, разумеется, организма) перед клетками открывается множество путей и дальнейшая судьба каждой клетки зависит от того, какой путь она выбирает. Впрочем, у клеток все происходит по О. Генри – дело не в дорогах, которые они выбирают, а в том, что внутри их, заставляет их выбирать дорогу.

Выбор клеточного пути, то есть генетической программы развития, называется детерминацией. Механизм этого процесса до сих пор не изучен. Сложно изучать, ведь выбор пути происходит очень рано, задолго до того, как начинают проявляться различия между клетками. Некоторые ученые считают, что детерминация «закладывается» еще в яйцеклетку – определенные гены из ее половинчато-одинарного набора хромосом запускают синтез белков цитоплазмы, которые являются пусковыми факторами различных вариантов детерминации. Такие белки называются морфогенами, кодирующие их гены – генами материнского эффекта.

Таким образом, детеминирующее влияние на ядро оказывает цитоплазма, но гены, обеспечивающие это влияние, находятся в ядре – замкнутый круг. «Обеспечивающие» гены находятся в ядре – не путайте материнский эффект с цитоплазматической наследственностью, которую обеспечивают митохондрии и пластиды!

Почему информация о выборе путей развития закладывается только в яйцеклетку?

Да потому что она хранится в цитоплазме, которой у сперматозоида, как говорится, кот наплакал. Природа вынуждена так поступать, другого варианта у нее нет. Но не считайте материнский эффект наследованием, сцепленным с полом, потому что он никак не связан с Х-хромосомой!

Некоторые из генов материнского эффекта экспрессируются не в яйцеклетке, а в окружающих ее клетках, а в яйцеклетку поступают только их продукты – матричные РНК для синтеза необходимых морфогенов или сами белки.

Обратите внимание на терминологию. В генетике, как и в любой науке (да и не только в науке), очень важно «следить за базаром», то есть правильно выражаться. Нельзя сказать: «некоторые из генов материнского эффекта в яйцеклетке отсутствуют» – это было бы верхом безграмотности, поскольку в каждой клетке организма наличествует полный набор генов. Можно сказать: «некоторые из генов экспрессируются», или «проявляют экспрессию», или же просто «работают». Так будет правильно.

Интересная деталь – наследование признаков, определяемых генами с материнским эффектом, может происходить «вопреки» законам генетики.

Для примера можно рассмотреть наследование признака закручивания раковины у улиток-прудовиков. У одних прудовиков раковина закручена вправо, у других – влево. Доминантный аллель соответствующего гена (А) обеспечивает закручивание раковины вправо, а рецессивный аллель (а) – закручивает раковину влево.

При скрещивании самки АА с самцом аа в первом поколении все будет в порядке – генотип Аа, раковина закручена вправо.

Но если скрестить самку аа с самцом АА, то обнаружится, что все их потомство в первом поколении при генотипе Аа будет иметь закрученные ВЛЕВО раковины.

Влево!

«Рецессивный» фенотип при «доминантном» генотипе!

Получается, что генотип Аа в разных случаях обеспечивает разные фенотипы!

Если не знать о материнском эффекте, то вот этим скрещиванием улиток можно «зачеркнуть» всю генетику, от начала до конца. Что это за наука о наследовании, в которой результат меняется при перестановке «слагаемых»?

Дальше – больше.

Если скрестить между собой гибриды первого поколения (Аа с Аа), то и в первом, и во втором случае все их потомство будет иметь раковины, закрученные вправо. Несмотря на то, что по генотипу у потомства будет наблюдаться «законное» менделевское расщепление – АА: 2Аа: аа.

Это уже вообще ни в какие ворота не лезет, верно?

Но тем не менее влезает в ворота молекулярной генетики, которая объясняет происходящее наличием в цитоплазме яйцеклеток белков-морфогенов.

Генетика незыблема. Если какое-то явление опровергает ее постулаты или вообще отрицает ее как науку, то, значит, нам просто не хватает знаний для того, чтобы правильно объяснить это явление. В примере, который мы только что рассмотрели, генотипу помогают реализоваться в фенотип морфогены, которые содержатся только в яйцеклетках. Морфогены активно вмешиваются в процесс закручивания раковин, «подбрасывая» исследователям совсем не то, что те ожидали увидеть.

Роль цитоплазмы в выборе клеточного пути развития (или же то, что морфогены находятся не в ядре, а в цитоплазме) была доказана в экспериментах с цитоплазмой дрозофилы. Дело в том, что яйцо дрозофилы, подобно яйцам большинства насекомых, в своем развитии проходит стадию синцития – неполного разграничения клеток, при котором обособленные участки цитоплазмы с ядрами связаны между собой так называемыми цитоплазматическими мостиками, которые правильнее было бы назвать «цитоплазматическими каналами», ведь цитоплазма жидкая, а не твердая.

Несколько тысяч (!) ядер в яйце дрозофилы, лежат в единой необособленной цитоплазме, которая при своем физическом единстве все же различается по содержанию. Так, например, цитоплазма в заднем сегменте яйца (деление, как вы понимаете, условное) называется полярной плазмой, поскольку находится у «полюса». Ядра, расположенные в полярной плазме, дают начало половым клеткам. Но если ввести полярную плазму в другую область яйца, где она в норме не должна находиться, то половые клетки станут развиваться там, где их в норме не должно было быть.

Детерминация (выбор программы) приводит к дифференциации или дифференцировке клеток – формированию специфического фенотипа.

Гены-руководители, определяющие процессы роста и дифференцировки в организме, называются гомеозисными генами. Они также могут называться Нох-генами (обратите внимание на то, что «Hox» написано латиницей и произносится как «хокс», а не как «нох», это калька с английского Нох gene).

Если мы попробуем выстроить иерархию генов, отвечающих за развитие организма, то на самом верху у нас окажутся «цари» – гены материнского эффекта.

Ступенькой ниже будут стоять гены-господа (это, кстати говоря, перевод научного термина «Master Genes»), экспрессию которых запускают гены материнского эффекта. Гены-цари отдают приказы генам-господам, а те обеспечивают их исполнение через своих подручных – регуляторные гены.

Регуляторные гены занимают предпоследнюю ступень иерархии. С учетом того, что на последней ступени находятся структурные гены, «официально» называющиеся «генами-рабами» (Slaves Genes), регуляторные гены можно назвать генами-надсмотрщиками.

Структурные гены не могут, не имеют права отдавать распоряжения другим генам. Они не командуют, а работают – обеспечивают дифференцировку клеток и прочие процессы развития.

Возникает вопрос: зачем природе понадобилась такая сложная иерархия, такая длинная цепь, по которой отдаются приказы структурным генам? Не проще было бы убрать господ и надсмотрщиков? Если гены материнского эффекта отдавали бы распоряжения непосредственно структурным генам, то дело шло бы лучше – было бы меньше ошибок. Известно же, что увеличение количества передаточных звеньев повышает вероятность искажения передаваемой информации. В «испорченный телефон» все в детстве играли? А некоторые читатели, наверное, и сейчас играют на психологических тренингах…