Історії мутантів: гомеозисні гени

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 62

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 кінохіту «Згадати все»: з 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.

Відколи 1906 року один із 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. Вже до середини ХХ століття перед очима вчених пройшли міріади мушок з найдивнішими проявами мутацій, з фіолетовими або білими очима, без щетинок на голому тілі… Але те, що побачив наприкінці 1940-х співробітник Каліфорнійського технологічного інституту Едвард Льюїс, надовго зачепило його погляд. У мухи була додаткова пара крил, як у якого-небудь метелика.

Історія мухи: розвиток

Льюїс не першим звернув увагу на таке потворство — і задуматися було над чим. Організм тварини розвивається з однієї клітини, і кожне нове покоління клітин несе той же первісний 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 за різним сценарієм. Одні утворюють ніжки дрозофіли, інші — її антени, треті — крила, корячись генам, які диригують їх зростом. Збій у роботі генів загрожує для мухи серйозними порушеннями, наприклад появою додаткової пари крил або ніг, які виросли між очей, на місці антен.

Хто контролює контролерів

Формування сегментованого 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 у 1995 році Ерік Вішаус і Крістіана Нюсляйн-Фольхард розділили з Едвардом Льюїсом Нобелівську премію з фізіології та медицини.

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 поспіхом відрощував зайві крила. Знайшовся і ген Ubx, мутації в якому запускали розвиток в неправильному напрямку. А незабаром у Ubx знайшлися і родичі — ще два гена, розташованих на тій же третій хромосомі, по сусідству з ним. І раз вже вони роблять один сегмент подібним до іншого, їх так і назвали, тільки по-латині, — гомеозисними (Hox).

Наш експерт

Павло Єлізар’єв,

молодший науковий співробітник лабораторії регуляції генетичних процесів Інституту

біології гена РАН:

Так склалося, що комплекси гомеозисних генів стали одними з найбільш вивчених у плодової мушки та інших організмів — напевно, муха з ногами на голові була вже дуже примітна. Але з часом історія стала ще цікавішою. Коли близько 30 років тому стали точно картувати мутації, що призводять до трансформацій тіла мухи, з’ясувалося, що жодна з них не знаходиться всередині самих Hox-генів. Більшість зачіпають широкі геномні області навколо, які нічого не кодують: тут розташовано послідовності, що регулюють активність навколишніх генів. Працюють ці послідовності не самі по собі, а завдяки пов’язуванню з білками-активаторами або білками-репресорами. Відкрився цілий новий рівень у регуляції будови тіла — і комплекси гомеозисних генів стали полігоном для вивчення некодуючої ДНК, яка в нашому з вами геномі займає близько 98%.

До початку 1980-х роботи Льюїса та інших вчених допомогли знайти всі 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 у сегментах грудей і голови, утворюючи комплекс Antennapedia — найбільш знаменним у 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 теле — від голови до кінчика черевця.

Упорядковане розташування — «від голови до хвоста» — гомеозисні гени, за нечисленними винятками, зберігають у всіх тварин

Історія тварин: еволюція

У 1983 році швейцарські біологи знайшли у гомеозисних генів дрозофіли несподівану загальну межу: всі вони мали невелику, довжиною всього близько 180 нуклеотидів, але характерну послідовність, «гомеобокс». Цей чудовий 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 тією ж строгістю зберігається у тварин і порядок розташування Hox-генів на хромосомі. Така консервативність говорить про важливу роль, яку виконують Hox-гени, і про їх запаморочливу давнину.

Невеликі зміни гомеобоксу, 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. Кишечнополісні такої складності не потребують, і вони загубили половину з них. Зате вже у предка білатеральних тварин, що жив близько 600 млн років тому, вони подвоїлися, і кожен взяв на себе свої, злегка відмінні від інших функції. Такі ускладнення відбувалися кілька разів, так що якщо у дрозофіли та інших комах таких генів вісім, то у хордового 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. Насправді, хоча сегментованість 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 копчик. Мутація в Hox10 у мишей змушує їх відрощувати ребра навіть на животі.

У сусідніх царствах

Стародавній фрагмент-гомеобокс виявляється навіть у 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 ящірки: регенерація

Кілька років тому петербурзькі біологи вивчили роботу Hox-генів кольчастого хробака-нереїса в стані личинки і дорослого організму. Виявилося, що якщо у личинки робота їх проходить за класичною, знайомою ще за мушками схемою, то у дорослого хробака вона різко змінює програму. Замість того щоб кожен Hox-ген активувався в своєму сегменті, вони включаються скрізь і відрізняються лише ступенем активності. Передбачається, що це дозволяє нереїсу, який втратив хвостові сегменти, благополучно відрощувати собі нові.

Така картина — зовсім не новина навіть для куди більш складно влаштованих хребетних. Багато рептилій та амфібій, 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, дупліковані Hox-кластери біля саламандр несуть різні інтрони — некодуючі вставки всередині генів, які забезпечують більш широкі можливості регуляції їх активності. Можливо, такі «удосконалення» відіграють важливу роль у роботі Hox-генів при регенерації кінцівок.

Взагалі, незважаючи 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.

Коли гени «хворіють»

Ембріональний розвиток людини — неймовірно складний процес. Тому порушення в роботі Hox-генів, як правило, закінчуються викидами 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 (геміфаціальна 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 мовчать у дорослої людини, деякі з Hox-генів можуть знову проявляти активність в пухлинних клітинах, «прокидаючись» під впливом сигнальних молекул і гормонів росту.

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.