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

Я продемонстрировал работу генетических переключателей на примере одного переключателя одного гена, нескольких переключателей одного гена, а также группы переключателей, контролируемых одним белком. Однако все переключатели и белки, о которых я говорил, и все картины экспрессии, которые я показывал, — лишь отдельные кадры общего процесса. Весь процесс формирования животного — это огромное множество кадров, объединенных в невероятный, непрерывный кинофильм.

Форма тела и частей тела животного никогда не является результатом работы какого-то одного гена или переключателя. Части тела, ткани и типы клеток — все это продукты деятельности множества белков и переключателей, которые организуют морфогенез во времени и в пространстве, а также белков и других молекул, придающих клеткам и тканям их специфические физиологические и механические свойства. Процессы развития, которые осуществляются под контролем одних переключателей и белков, связаны с другими процессами, в которых принимают участие другие переключатели и другие белки. большие группы взаимосвязанных переключателей и белков образуют "цепи", которые, в свою очередь, являются частью еще более сложных "сетей", управляющих развитием сложных структур. Архитектура животных — продукт архитектуры генетических регуляторных сетей.

Схему или логику этих цепей и сетей можно изобразить с помощью диаграммы, какую используют для изображения электрических сетей или логических схем. Каждый переключатель — это точка принятия решения, узел генетической цепи. На рис. 5.7 схематически изображен ряд взаимосвязанных цепей, в которых задействовано только небольшое количество активаторов, репрессоров, переключателей и генов. Эта модель опять-таки отражает лишь часть значительно более сложной системы. Чтобы в деталях описать процесс создания дрозофилы, мне, вероятно, понадобилось бы не меньше тысячи страниц, а чтобы описать создание человека — несколько тысяч страниц. Регуляторные сети позвоночных более многочисленны (у нас в три раза больше типов клеток, чем у мух или других беспозвоночных), но на самом деле не более сложные.

Рис. 5.7. Схема регуляторной логики генетической сети. Активаторы (буквы в кружочках) и репрессоры (буквы в квадратиках) действуют на переключатели (прямые линии). Стрелки соответствуют активации, а линии, заканчивающиеся перпендикулярной чертой, означают репрессию. В построении и создании формы любой структуры обычно задействовано множество цепей активаторов и репрессоров. Рисунок Джоша Клейса.

Переключатели и разрешение парадокса набора генов развития

Биологи только начинают осознавать важную роль переключателей. Мы уже несколько десятилетий умеем читать генетический код и находить в ДНК закодированные последовательности белков. В рамках модели, где центральным действующим лицом является белок, гены воспринимались как фрагменты информации, рассредоточенные в огромном море "пустой" ДНК. Кроме того, было распространено мнение, что различия между животными в значительной степени связаны с различиями в количестве генов и характере их последовательностей. Но теперь мы начинаем понимать, что гены окружены множеством переключателей. Кроме того, из результатов секвенирования геномов стало ясно, что человек и мышь имеют почти одинаковое количество генов (около 25 000). Поскольку сходство кодирующих последовательностей оказалось столь велико, пришло время выяснить, какую роль в эволюции играют переключатели.

Узнав, какова логика генетических переключателей и насколько они разнообразны, мы готовы задуматься об их вкладе в эволюцию биоразнообразия. Серьезный парадокс, возникший после открытия похожих наборов генов развития у самых разнообразных животных, заключается в следующем: как объяснить создание столь разных форм на основе одинаковых генов? Разгадка этого парадокса нашлась в результате открытия серий переключателей, которые позволяют использовать один и тот же ген снова и снова, иногда слегка, а иногда — очень сильно отличающимися способами при развитии сериально гомологичных структур у одного и того же животного.