Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных

В моей лаборатории мы всегда интересовались проблемой происхождения и эволюции конечностей, поскольку ноги, крылья и плавники — это основные адаптационные приспособления для тех животных, у которых они есть. Несколько лет назад мы изучали роль гена Distal-less (сокращенно D//), название которого связано с тем, что при его мутации у дрозофилы не развиваются дистальные (наиболее удаленные от тела) участки конечностей. Мы хотели узнать, существует ли подобный ген у других видов животных. Мы с радостью обнаружили, что Dll также используется для формирования дистальных частей конечностей бабочки, а также ракообразных, пауков и многоножек. Это говорит о том, что Dll участвует в формировании конечностей у всех членистоногих. (Кроме того, наша статья помогла журналисту Дэвиду Бэрри объяснить читателям, почему он не ест омаров — потому что они, на самом деле, просто крупные насекомые. Не слишком изящный или корректный эволюционный аргумент, но мы оценили внимание к нашей работе.) Поскольку все эти животные относятся к одному типу и имеют сходное строение членистых конечностей, использование ими гена Dll имеет смысл. Неожиданностью оказалось другое открытие, сделанное нами и нашими коллегами при изучении конечностей животных, не состоящих в близком родстве с членистоногими.

Мы обнаружили, что ген Dll принимает участие в формировании любых отростков, отходящих от тел животных. Сюда относятся куриные ноги, рыбьи плавники, конечности морских червей (параподии), ампулы и сифоны асцидий и даже трубчатые ножки морских ежей. Как и ген Pax-6, ген Dll — пример мастер-гена, вовлеченного в создание весьма разнообразных структур, общим свойством которых является только связь с туловищем животного. Все упомянутые животные относятся к различным ветвям филогенетического древа. Поэтому роль Dll в эволюции конечностей, по-видимому, можно интерпретировать так же, как роль Рах-6 в эволюции глаз. Либо эволюция обращалась к помощи гена Dll независимо множество раз, чтобы с нуля создавать конечности животных, либо этот ген служил для создания каких-то отростков на теле древнего общего предка и эта функция гена была неоднократно использована на протяжении эволюции животных.

Между генами и структурами позвоночных и дрозофил было обнаружено еще много общего. Я приведу один пример. В верхней части тела дрозофилы располагается сердце, сокращение которого приводит к перекачиванию крови по телу. У мух незамкнутая система кровообращения, т.е. кровь, омывающая ткани, не заключена в сосуды. В нашем понимании их сердце мало напоминает сердце, но все же оно выполняет свою работу. Генетики обнаружили ген, необходимый для формирования сердца мухи, и назвали его tinman (в честь Железного дровосека, персонажа сказки "Волшебник из страны Оз", у которого не было сердца).

Неожиданностью стало обнаружение у млекопитающих нескольких версий гена tinman, скромно названных NK2. Выяснилось, что эти гены играют важную роль в формировании сердца позвоночных, включая нас с вами. Несмотря на значительные различия в анатомическом строении сердца и системы циркуляции крови, мухи и позвоночные используют для разметки и формирования своих сердец однотипные гены.

Нужно добавить еще кое-что. Белки из семейств Рах-6, Distal-less и Tinman у дрозофил, позвоночных и других животных содержат гомеодомены. Таким образом, все они являются ДНК-связывающими белками. Эти гомеодомены похожи на гомеодомены белков Hox, но не идентичны им. Теперь мы знаем, что существует около двух десятков семейств гомеодоменов. Белки Hox, Pax-6, Dll и Tinman относятся к четырем различным семействам. Белки Рах-6 различных животных похожи друг на друга больше, чем на белки из других семейств гомеодоменных белков. Аналогичным образом, белки Hox, Dll и Tinman также имеют больше сходства с членами своего семейства, чем с белками из других семейств. Различие между семействами гомеодоменов отражает разницу в их функциональной специфичности (они связываются с разными последовательностями ДНК). Поскольку все они связываются с ДНК и оказывают столь сильное влияние на развитие органов или конечностей, можно утверждать, что они регулируют включение и выключение генов, участвующих в развитии глаз, ног или сердец соответственно. Их значительное влияние на развитие организма связано с регуляцией активности большого количества генов, с действием на ранних этапах развития или и с тем и с другим (в любом случае, без них развития органа или части тела не происходит).

Пересматриваем эволюцию животных