Готовый перевод RICHARD DAWKINS --The Ancestor's Tale / РИЧАРД ДОКИНЗ -- Рассказ Предка: The Fruit Fly''s Tale / Рассказ Плодовой Мушки

Рассказ Плодовой Мушки

В 1894 году пионер генетики Уильям Бейтсон опубликовал книгу под названием "Материалы по изучению прерывистой изменчивости в происхождении видов".

Он собрал восхитительный, почти жуткий список генетических отклонений и рассмотрел, как они могут пролить свет на эволюцию.

У него были лошади с расщепленными копытами, антилопы с одним рогом в середине лба, люди с лишней рукой и жук (ниже) с пятью ногами с одной стороны.

В своей книге Бейтсон ввел термин "гомеозис" для выделяющегося типа генетических вариаций.

Гомоио по-гречески значит "одинаковый", и гомеозисная мутация (как мы будем ее называть, хотя слова "мутация" не было, когда писал Бейтсон) - это такая мутация, которая заставляет часть тела возникать в какой-либо другой части.

Собственные примеры Бейтсона включали жука пилильщика с ногой, выходящей из места, где должна быть антенна.

Как только вы слышите о такой заметной аномалии, можете подозревать, вместе с Бейтсоном, что в ней может быть важная подсказка о том, как животные развиваются в норме.

Вы с Бейтсоном будете правы, и это - предмет настоящего рассказа.

Этот особый гомеозис - нога вместо антенны - был позднее заново открыт у плодовых мушек дрозофил, Drosophila, и назван антеннопедией.

Дрозофила ("любительница росы") уже долгое время является любимым животным генетиков.

Не надо путать эмбриологию с генетикой, но недавно дрозофила приняла ведущую роль в эмбриологии, так же как и в генетике, и этот рассказ об эмбриологии.

Эмбриональным развитием управляют гены, но есть два очень разных способа, как это может теоретически происходить.

"Рассказ Мыши" представил их как чертеж и рецепт.

Строитель строит дом, кладя кирпичи в места, определенные чертежом.

Повар делает пирог, не располагая крошки и изюминки в определенные места, а добавляя ингредиенты через определенные процедуры, такие как просеивание, перемешивание, взбивание и нагревание.

Учебники биологии ошибаются, когда описывают ДНК как чертеж.

Эмбрионы не делают ничего и близко похожего на следование чертежу.

ДНК - это вовсе не описание на каком-нибудь языке того, на что должно быть похоже законченное тело.

Может быть, на какой-нибудь другой планете живые существа развиваются по чертежной эмбриологии, но я нахожу трудновообразимым, как она может работать.

Это должен быть совсем иной вид жизни.

На нашей планете эмбрионы следуют рецепту.

Или, если заменить на другую, столь же нечертежную аналогию, которая в некотором смысле подходит больше, чем рецепт, эмбрионы следуют последовательности инструкций складывания оригами.

Аналогия с оригами лучше подходит для ранней эмбриологии, чем для поздней.

Основная организация тела изначально закладывается серией складываний и инвагинаций слоев клеток.

Когда же основной план тела твердо оказывается на месте, более поздние стадии развития состоят по большому счету из роста, как если бы эмбрион раздували во всех его частях, подобно воздушному шару.

Это, однако, очень необычный воздушный шар, поскольку разные части тела раздуваются с разными скоростями, и эти скорости точно контролируются.

Это важное явление известно как аллометрия.

"Рассказ Плодовой Мушки" касается в основном ранней, оригамной фазы развития, а не поздней, инфляционной.

Клетки не выкладываются как кирпичи по чертежу, но именно поведение клеток определяет эмбриональное развитие.

Клетки притягивают или отталкивают другие клетки.

Они изменяют форму различными способами.

Они выделяют вещества, которые могут распространяться за пределы клетки и влиять на другие клетки, даже находящиеся на некотором расстоянии.

Иногда, они выборочно погибают, вырезая формы отсечением, как будто при работе скульптора.

Как термиты, кооперирующиеся для постройки термитника, клетки "знают" что делать благодаря соседним клеткам, с которыми они находятся в контакте, и в ответ на градиенты концентрации химических веществ.

Все клетки эмбриона содержат одни и те же гены, таким образом, не может быть, чтобы гены приводили к различиям в поведении одних клеток относительно других.

Что действительно распознает клетка -- какие из генов включены, что обычно отражено в продуктах генов -- белках, которые она содержит.

В очень раннем эмбрионе клетка должна "узнать", где она находится относительно двух основных направлений: передне-заднего и дорсально-вентрального.

Что значит "узнать"? Изначально это значит, что поведение клетки определено ее позицией вдоль химических градиентов по каждой из двух осей.

Такие градиенты неизбежно возникают еще в яйце, а значит под контролем материнских генов, а не ядерных генов самого яйца.

Например, существует ген, названный bkoid, в материнском генотипе дрозофилы, который экспрессируется в клетках "няньках", производящих ее яйца.

Белок, продуцируемый геном bicoid, доставляется в яйцо, где он концентрируется с одного конца, постепенно спадая к другому.

Результирующий градиент концентрации (и другие подобные) определяет передне-заднюю ось.

Схожие механизмы под прямым углом определяют дорсально-вентральную ось.

Эти маркирующие концентрации сохраняются в веществе клеток, образуемых при последующих делениях яйца.

Первые несколько делений происходят без какого-либо добавления нового материала, и деления являются неполными: создается много отдельных ядер, но они не полностью отделяются клеточными стенками.

Эта многоядерная "клетка" именуется синцитием.

Позднее формируются стенки, и эмбрион становится по-настоящему клеточным.

На протяжении всего этого, как я сказал, исходные химические градиенты сохраняются.

Из этого следует, что ядра в разных частях эмбриона будут плавать в разных концентрациях ключевых веществ, соответствующих исходным двумерным градиентам, и это приведет к включению разных генов в разных клетках (теперь мы, конечно, говорим уже не о генах матери, а о генах эмбриона).

Так начинается дифференциация клеток, и проекции этого принципа ведут к дальнейшей дифференциации на более поздних стадиях развития.

Исходные градиенты, заданные материнскими генами, уступают место новым, более сложным градиентам, создаваемым собственными генами эмбриона.

Последующие развилки в линиях эмбриональных клеток рекурсивно создают дальнейшие дифференциации.

У членистоногих существует крупномасштабное деление дела, не на клетки, а на сегменты.

Сегменты выстроены в линию от передней части головы назад до конца брюшка.

У насекомых 6 головных сегментов, из которых антенны располагаются на втором сегменте, за ним следуют сегменты мандибул (челюстей) и других частей рта.

Сегменты головы взрослого спрессованы в небольшом пространстве, и их передне-заднее расположение не так выражено, но его можно увидеть в эмбрионе.

Три грудных сегмента (T1, T2, T3) более очевидно выстроены в линию, каждый несет пару ног.

T2 и T3 обычно несут крылья, но у дрозофил и других мух крылья есть только на T2.

Вторая пара "крыльев" модифицирована в жужжальца, маленькие булавовидные органы на T3, которые вибрируют и служат как миниатюрные гироскопы для наведения мухи.

У некоторых ранних ископаемых насекомых было три пары крыльев, по одной на каждом грудном сегменте.

За грудными сегментами располагаются более многочисленные брюшные сегменты (11 у некоторых насекомых, 8 у дрозофил, в зависимости от того, посчитаете ли вы гениталии на заднем конце).

Клетки "знают" (в уже оговоренном смысле), в каком сегменте они находятся, и ведут себя соответственно.

Каждой клетке сообщается, в каком сегменте она находится, посредством особых управляющих генов, называемых Hox-генами, которые сами включаются внутри клеток.

"Рассказ Плодовой Мушки" - это в основном рассказ Hox-генов.

Все было бы просто и ясно, если бы я мог сказать, что есть по одному Hox-гену для каждого сегмента, и во всех клетках данного сегмента включен только свой нумерованный Hox-ген.

Все было бы еще глаже, если бы Hox-гены были выстроены вдоль хромосомы в том же порядке, что и сегменты, на которых они воздействуют.

Что ж, все не столь здорово, но очень близко к тому.

Hox-гены действительно выстроены в правильном порядке вдоль хромосомы, и это восхитительно, слишком щедро, учитывая то, что нам известно о работе генов.

Но Hox-генов не достаточно для каждого сегмента, только 8.

И есть более неприятное осложнение, которое я должен устранить.

Сегменты взрослого не совсем соответствуют так называемым парасегментам личинки.

Не спрашивайте почему (вероятно, у Проектировщика был плохой день), но каждый сегмент взрослого составлен из задней половины одного личиночного парасегмента и передней половины следующего.

Если специально не оговорено, я буду использовать слово сегмент в значении (пара)сегмента личинки.

Что касается вопроса о том, как ряд из 8 Hox-генов отвечает ряду из примерно 17 сегментов: это отчасти снова происходит благодаря трюку с химическим градиентом.

Каждый Hox-ген в основном экспрессируется в одном сегменте, но он также экспрессируется в более задних сегментах в снижающихся концентрациях по мере движения назад.

Клетка узнаёт, в каком сегменте она находится, сравнивая химические продукты нескольких вышерасположенных Hox-генов.

Все чуть сложнее, но нет необходимости пускаться в такие детали.

8 Hox-генов собраны в два генных комплекса, физически разделенных на одной и той же хромосоме.

Они называются кластером антеннапедии (Antennapedia) и кластером биторакса (Bithorax).

Эти наименования вдвойне неудачны.

Комплекс генов получает название по одному члену этого комплекса, не более значимому, чем остальные.

И хуже того, сами гены как обычно названы по тому, что случается, когда они нарушены, а не по их нормальной функции.

Было бы лучше назвать их как-то вроде Передний Hox-комплекс и Задний Hox-комплекс.

Однако мы придерживамся существующих названий.

Кластер Bithorax состоит из последних трех Hox-генов, названных по историческим причинам, вдаваться в которые я не стану, Ultrabithorax, Abdominal-A и Abdominal-B.

Они влияют на формирование задней части животного следующим образом.

Сам Ultrabithorax экспрессируется, начиная с сегмента 8, и по всей длине до заднего конца.

Abdominal-A экспрессируется с сегмента 10 до конца, а Abdominal-B -- с сегмента 13 до конца.

Продукты этих генов производятся в уменьшающемся градиенте концентрации по мере того, как мы движемся к заднему концу животного, начинаясь со своих различных отправных точек.

Так, сравнивая концентрации продуктов этих 3 Hox-генов, клетка в задней части личинки может узнать, в каком сегменте она находится, и действовать соответственно.

Схожая история с формированием переднего конца личинки, где работают 5 Hox-генов из состава Antennapedia.

Hox-ген, таким образом, это ген, чья миссия в жизни -- определять положение в теле и информировать другие гены в той же клетке.

Теперь мы вооружены для понимания гомеозисных мутаций.

Когда что-то идет неправильно, клетки в сегменте оказываются дезинформированы о том, в каком они находятся сегменте, и они строят тот сегмент, в котором "думают", что находятся.

Так, для примера, мы видим ногу, растущую на сегменте, на котором в норме растет антенна.

Это вполне понятно.

Клетки любого сегмента вполне способны собрать анатомию любого другого сегмента.

Почему бы и нет? Инструкции для сооружения любого сегмента кроются в клетках каждого сегмента.

Именно Hox-гены в нормальных условиях вызывают "правильные" инструкции для создания анатомии, соответствующей каждому сегменту.

Как правильно заподозрил Уильям Бейтсон, гомеозисная аномалия открывает окно на то, как работает система в норме.

Вспомните, что у мушек, необычно среди насекомых, в норме есть лишь одна пара крыльев плюс пара гироскопических жужжалец.

Гомеозисная мутация Ultrobithorax вводит в заблуждение клетки третьего грудного сегмента, заставляя "думать", что они во втором грудном сегменте.

Поэтому они кооперируются для создания дополнительной пары крыльев вместо пары жужжалец (см. рис).

Есть мутант мучного хрущака (Tribolium) у которого на всех 15 сегментах развиваются антенны, предположительно потому, что все клетки "думают", что они во втором сегменте.

Это подводит нас к самой удивительной части "Рассказа Плодовой Мушки".

После обнаружения их у дрозофилы, Hox-гены стали выявляться повсюду: не только у других насекомых, таких как жуки, а почти у всех других животных, у которых их искали, включая нас самих.

И, хотя это кажется слишком хорошим, чтобы быть правдой, они очень часто делают то же самое, вплоть до информирования клеток о том, в каком сегменте они находятся, и (более того) они расположены в том же порядке вдоль хромосомы.

Давайте обратимся к истории с млекопитающими, которая наиболее подробно изучена на лабораторной мыши - этой дрозофиле мира млекопитающих.

Млекопитающие, как и насекомые, имеют сегментированный или, по крайней мере, модульный, повторяющийся план тела, затрагивающий позвоночник и связанные структуры.

Каждый позвонок может рассматриваться как соответствующий одному сегменту, но не только кости ритмично повторяются по мере продвижения от шеи к хвосту.

Кровеносные сосуды, нервы, блоки мышц, хрящевые диски и ребра, там, где они есть, все следует повторяющемуся модульному плану.

Как и с дрозофилой, эти модули, хотя и следуют дальнеродственной дрозофиле, имеют те же продольные серии у млекопитающих, и было бы определенно подозрительно, если бы обнаружилось, что у ланцетника не так.

Мой коллега Питер Холланд со своей исследовательской группой изучили этот вопрос, и их результаты окупают усилия.

Да, модульный план строения тела ланцетника управляется (четырнадцатью) Hox-генами, и да, они выстроены в правильном порядке вдоль хромосомы.

В отличие от мыши, но так же как у дрозофилы, у него только одна серия, а не 4 параллельных серии.

Предположительно весь кластер дуплицировался 4 раза где-то на линии, ведущей от Сопредка 23 к современным животным, что сопровождалось некоторым количеством случайных потерь отдельных генов.

А как же другие животные, стратегически выбранные потому, что они могут рассказать о других отдельных сопредках? Hox-гены найдены у каждого животного, которого исследовали, кроме гребневиков и губок (см. Рандеву 29 и 31 соответственно), включая морских ежей, мечехвоста, креветок, моллюсков, кольчатых червей, кишечнодышащих, асцидий, червей нематод, и плоских червей.

Об этом мы могли бы догадаться, зная, что все эти животные произошли от Сопредка 26, и у нас уже есть веская причина думать, что Сопредок 26 имел Hox-гены, как и его потомки, дрозофила и мышь.

Книдарии, такие как гидра (они не должны присоединяться к нам до Рандеву 28), являются радиально-симметричными, у них нет ни передне-задней, ни дорсально-вентральной оси.

У них есть орально-аборальная ось.

Неочевидно, что она соответствует их длинной оси, скорее наоборот, поэтому какого действия нам ожидать от их Hox-генов? Было бы все неплохо, если бы они использовались для определения орально-аборальной оси, но до сих пор не ясно, так ли это.

В любом случае, у большинства книдарий только два Hox-гена против восьми у дрозофилы и четырнадцати у ланцетника.

Приемлемо, что один из этих двух генов напоминает передний комплекс дрозофилы, в то время как другой напоминает задний.

У Сопредка 28, которого мы с ней разделяем, предположительно было так же.

Затем один из двух дуплицировался несколько раз в ходе эволюции и произвел кластер Antennapedia, в то время как другой дуплицировался и в той же линии животных и произвел кластер Bithorax.

Это именно то, как гены размножаются в геноме (смотри "Рассказ Миноги").

Но потребуется больше исследований, прежде чем мы узнаем, что делают эти два гена при планировании тела книдарии, если они вообще что-то делают.

Иглокожие радиально-симметричны, как книдарии, но эта их симметрия вторична.

Сопредок 25, которого они разделяют с нами, позвоночными, был двухсторонне-симметричен, как червь.

У иглокожих переменное число Hox-генов - 10 в случае морских ежей.

Для чего же эти гены? Не прячется ли реликт предковой передне-задней оси в теле морской звезды? Или, может, Hox-гены оказывают свое воздействие последовательно вдоль каждого из 5 ее лучей? Это может показаться логичным.

Мы знаем, что Hox-гены экспрессируются в задних и передних лапах млекопитающих.

Я не хочу сказать, что массивы Hox-генов от 1 до 13 экспрессируются по порядку от плеча до кончиков пальцев.

Все сложнее, и так вполне могло быть, поскольку конечность позвоночного не составлена из модулей, сменяющих друг друга по длине.

Вместо этого есть одна кость (плечевая в руке, бедренная в ноге), затем две кости (лучевая и локтевая в руке, большая и малая берцовые в ноге), затем много маленьких косточек, увенчивающих пальцы рук и ног.

Это веерное расположение, унаследованное от более очевидного веера плавников наших предков-рыб, не сводится к прямой линейности Hox-генов.

И все же Hox-гены задействованы в развитии конечности позвоночных.

По аналогии, не было бы удивительно, если бы Hox-гены также экспрессировались в лучах морской звезды или офиуры (и даже морских ежей можно представить как морских звезд, лучи которых завернулись вверх в пятиконечный свод, соединились концами и застегнули по бокам "молнии").

Более того, лучи морских звезд, в отличие от наших рук и ног, на самом деле серийно модульны по длине.

Амбулакральные ножки со всей их гидравлической системой - блоки, повторяемые двумя параллельными рядами вдоль каждого луча: как раз то, что нужно для экспрессии Hox-генов! Щупальца офиур даже выглядят и ведут себя как пять червей.

Томас Хаксли ссылался на "Великую трагедию науки - убийство красивой гипотезы неприглядным фактом."

Реальные факты о Hox-генах иглокожих могут не быть неприглядными, но они не следуют красивой схеме, только что предложенной мной.

Происходит нечто другое, что имеет свою собственную неожиданную красоту.

Личинки иглокожих - крошечные, двусторонне-симметричные планктонные пловцы.

Пятисторонняя радиальная симметрия донных взрослых форм не развивается как преобразованная личинка.

Вместо этого она начинает как крошечное миниатюрное взрослое в теле личинки, которое растет до тех пор, пока, наконец, остальная часть личинки не будет отброшена.

Hox-гены экспрессируются в правильном линейном порядке, но не вдоль лучей.

Вместо этого порядок экспрессии следует по приблизительно круглому маршруту вокруг маленького взрослого.

Если мы представляем себе Hox-ось как "червя", не существует пяти "червей", по одному для каждого луча.

Есть единственный "червь", скрученный в кольцо внутри личинки.

На переднем конце "червя" вырастает луч номер 1, на заднем конце -- луч номер 5.

От гомеозисной мутации у морских звезд, в таком случае, можно ожидать, что она вырастит слишком много лучей.

И так и есть, мутантные морские звезды с шестью лучами известны и зафиксированы в книге Бейтсона.

Кроме того, есть виды морских звезд, которые имеют гораздо большее число лучей, они предположительно эволюционировали от предков с гомеозисными мутациями.

Hox-гены не были обнаружены ни у растений, ни у грибов, ни у одноклеточных организмов, которых мы называем простейшими.

Но теперь мы подходим к трудности в терминологии, с которым надо разобраться прежде, чем идти дальше.

Обозначение "Hox" было создано как сокращение от "homeobox", но термин Hox-гены не синонимичен с генами гомеобокса: они являются подтипом.

Действительно, у растений и грибов есть гены гомеобокса, но нет Hox-генов.

"Гомео" происходит от "гомеозиса" Бейтсона, а "бокс" указывает на блок из 180 кодовых знаков, который есть у всех генов, известных как гены гомеобокса, где-нибудь на их протяжении.

Сам гомеобокс и есть эта самая диагностическая последовательность из 180 кодовых букв, а "ген гомеобокса" это ген, который содержит последовательность гомеобокса где-то в тексте.

Имя Hox используется не для всех генов гомеобокса, а только для линейного кластера генов, которые определяют положение вдоль тела животного и которые оказались гомологичными почти у всех животных.

Семейство Hox генов гомеобокса было первым из открытых, но теперь известно множество родственных семейств.

Например, есть семейство генов, именуемое Para Hox, которое было впервые четко определено у ланцетника, но которое, снова-таки, встречается у всех животных кроме (пока) гребневиков и губок.

Похоже, ParaHox-гены являются "кузенами" Hox-генов, в том смысле, что они соответствуют и расположены в том же порядке, что и Hox-гены.

Они, несомненно, возникли путем дупликации того же предкового набора генов, что и Hox-гены.

Другие гены гомеобокса более дальнеродственны Hox-и ParaHox-генам, и составляют свои собственные семейства.

Семейство Pox найдено у всех животных.

Особо заметный член этого семейства -- Pax6, который соответствует гену, известному как ey у дрозофилы.

Я уже упоминал, что Pax6 отвечает за выдачу клеткам указания создавать глаза.

Этот же ген создает глаза у столь различных животных, как дрозофила и мышь, даже притом, что производимые глаза у этих двух животных радикально различны.

Подобно Hox-генам, Pax6 не сообщает клеткам, как строить глаза.

Он только говорит им, что здесь - место для создания глаза.

Довольно похожий пример есть в малом семействе генов, называемом tinman.

Снова же, гены tinman присутствуют и у дрозофилы, и у мыши.

У дрозофилы, гены tinman отвечают за указание клеткам сделать сердце, и они в норме экспрессируются как раз в правильном для сердца дрозофилы месте.

Как мы теперь готовы ожидать, гены tinman также участвуют в указаниях клеткам мыши создавать сердце в надлежащем для него месте.

Весь набор генов гомеобокса очень многочисленен и разделяется на семейства и подсемейства, так же как и сами животные делятся на семейства и подсемейства.

Это похоже на случай гемоглобина, который мы рассмотрели в "Рассказе Миноги".

Там мы узнали, что человеческий альфа-глобин на самом деле приходится более близким кузеном, скажем, альфа-глобину ящерицы, чем человеческому бета-глобину, который в свою очередь приходится более близким кузеном бета-глобину ящерицы.

Схожим образом человеческий tinman -- более близкий кузен tinman-у плодовой мушки, чем человеческому Pax6.

Можно построить достаточно полное семейное дерево генов гомеобокса, которое существует бок о бок с семейным деревом содержащих из животных.

Оба семейных дерева одинаково обоснованны.

Оба - настоящие родословные деревья, сформированные событиями расколов, случившихся в конкретные моменты геологической истории.

В случае семейного дерева животных события ветвления представляют собой видообразования.

В случае семейного дерева генов гомеобокса (или генов глобинов) события ветвления - это дупликации генов в геномах.

Дерево генов гомеобокса животных разветвляется на два крупных класса, AntP и PRD классы.

Я не стану расшифровывать, что стоит за этими аббревиатурами, поскольку обе расшифровки патологически сбивают с толку.

В PRD класс входят Pax-гены и разные другие подклассы.

В AntP класс входят Hox и ParaHox, и снова же разные другие подклассы.

В дополнение к этим двум крупным классам генов гомеобокса животных существуют различные более дальнородственные гены гомеобокса, которые называются (что вводит в заблуждение) "дивергентными".

Они найдены не только у животных, но также и у растений, грибов и "простейших".

Только животные имеют настоящие Hox-гены, и они всегда используются одним и тем же образом - для указания информации о положении в теле, независимо от того, делится ли само тело на аккуратные дискретные сегменты.

Хотя Hox-гены еще не были найдены у губок и гребневиков, это не значит, что этого не случится.

Было бы неудивительно обнаружить, что они есть у всех животных.

Это бы вдохновило моих коллег Джонатана Слэка, Питера Холланда и Кристофера Грэхама, в то время в Оксфорде, которые предложили новое определение самого слова "животное".

До сих пор животных определяли в противоположность растениям, довольно неудовлетворительным, негативным способом.

Слэк, Холланд и Грэм предложили позитивный, особый критерий, имеющий результатом объединение всех животных и исключающий всех неживотных, таких как растения и простейшие.

История с Hox-генами показывает, что животные -- не пестрая, несвязанная смесь биологических типов, каждый со своим фундаментальными планом тела, приобретенным и сохраняемым в одинокой изоляции.

Если забыть морфологию и смотреть только на гены, оказывается, что все животные - незначительные вариации одной очень специфической темы.

Какое же удовольствие быть зоологом в такое время.

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/15220/52696

Переводчики: Dawkinsian, cosinus, Irina73