За что отвечает ген Ежа и почему у человека руки растут откуда надо?

прошлый раз, дорогие друзья, мы побывали в мире академической музыки. Тем, кого это путешествие привело в отчаяние, стоит немедленно закрыть материал, потому что сегодня мы погрузимся в пучины генетики. «Куда она лезет?» — спросите вы. «Куда я лезу?» — спрашиваю я себя сейчас, за написанием этой скромной заметки. В общем, куда бы я ни пыталась залезть, сегодня мы попытаемся разобраться, почему у нас руки растут сверху, а ноги снизу, за что отвечает ген Ежика Суперсоника и у кого геном больше.

Сразу хочу предупредить, что я человек не столь далекий от биологии, как может показаться.

шесть лет меня больше всего на свете интересовали бабочки и динозавры. Сейчас ситуация несколько изменилась, но уверена, не меня одну волнует, почему мы, люди, выглядим так, как мы выглядим, и как после ночи любви наших мам и пап получаемся мы, такие сложносочиненные? За ответом на этот вопрос я отправилась на лекцию научного сотрудника лаборатории генетики развития Института цитологии и генетики СО РАН Наримана Баттулина «Как гены управляют развитием».

Ну, как мы помним из детских книжек, когда сперматозоид папы встречается с яйцеклеткой мамы, происходит чудо зарождения жизни, проходит девять месяцев, и на свет появляемся мы — красно-синие, покрытые слизью и орущие. Но до того, как явить себя миру, чем девять месяцев мы занимаемся в животе? По-научному этот вопрос прозвучал бы так: «Как происходит эмбриональное развитие?» Так вот, после успешной встречи папиных и маминых половых клеток появляется зигота, которой суждено стать эмбрионом. И главный вопрос, на который мы попытаемся ответить: каким образом та или иная клетка эмбриона понимает, что ей нужно стать частью руки или сердца, зубом или глазом? Каким образом инструкции, зашифрованные в ДНК, создают венец творения — человека?

 

 

се, как утверждает лектор (а они любят именно это утверждать), ОЧЕНЬ ПРОСТО! Все развитие клетки в эмбрионе сводится к нахождению ей своего положения в системе координат будущего организма. Этот процесс можно сравнить с GPS-навигацией у машины: вот вы едете куда-нибудь, и ваш GPS-навигатор запрашивает у спутника координаты того, где он сейчас находится, получив ответ, он понимает, куда ему двигаться дальше. Так же и с клетками: получив ответ на свой вопрос, клетка запускает процессы активации генов, содержащихся в ней, и понимает, куда ей дальше развиваться. В упрощенном виде эта схема выглядит так: ЕСЛИ концентрация вещества A в клетке равна X, ТО активируй ген B. Вот, например, клетка получает много белков / витаминов определенного вида, значит, она находится вблизи питательных клеток матери и решает, что быть ей головой, а те клетки, которые находятся вдали и получают меньше этого белка, понимают, что быть им попой. Поскольку генов в клетке содержится великое множество, то все устроено так, чтобы они не начали все работать одновременно и путаться.

Во-первых, у каждого гена свое место в клетке и, соответственно, в эмбрионе: какой-то располагается ближе к поверхности, какой-то — ближе к центру.

Во-вторых, в каждом из них есть чувствительные элементы, которые взаимодействуют с белками и другими веществами, поступающими извне, и запускают программы экспрессии (то есть функционирования) гена. Если количество поступающего белка сигнализирует гену о том, что ему пора бы начать работать, он просыпается.

ветами обозначена экспрессия разных генов в эмбрионе мушки дрозофилы, полосочки — это ряды шириной в несколько клеток, каждая из которых активировала нужный ген и уже знает, чем она станет при окончательном развитии эмбриона.

Гены, которые нас интересуют, называются гомеозисными — это те гены, которые отвечают за развитие и дифференциацию органов и тканей. Именно благодаря им кожа отличается на ощупь от слизистой, рука имеет форму руки, а ног именно две, а не четыре. Такие гены у млекопитающих принадлежат к семейству HOX-генов.

Теперь нужно понять, как они находят свое место в эмбрионе (как они понимают, кому из них впоследствии превратить свои клетки в руки, а кому — в ноги). Сначала гены размечают эмбрион на сегменты. Когда ученые отмечают определенные гены цветами, схема эмбриона выглядит как цветовой градиент.

 

огда эмбрион размечен на сегменты, в каждом из них включаются гены, ответственные за развитие определенного органа или ткани. Все понятно с червячком — у него есть очевидные сегменты, которые даже можно рассмотреть невооруженным глазом. А что же делать с человеком, таким сложным и непонятным? На самом деле если верить ученым, то наш общий предполагаемый предок, живший на земле еще 600 млн лет назад, был — как это ни обидно для нас — именно червячком, а точнее, многощетинковым червем. Если сравнить картинку с червем и наш позвоночник, мы с удивлением и грустью обнаружим, что между нами и доисторическим червяком есть что-то общее. Как и у червя, у человека именно HOX-гены решают, какой из сегментов станет шеей, а какой — ребрами.

 

Современный многощетинковый
червь

Позвоночный столб
человека

В поисках доказательств гипотез о работе HOX-генов у позвоночных бессердечные ученые занимались, к примеру, превращением цыплят в змей: все, что нужно для чудесной метаморфозы, — это всего лишь продлить экспрессию гена, отвечающего за рост ребер у эмбриона (HOX-T6) во все позвоночники. Так получается бесконечная змейка без ножек и ручек с головой цыпленка.

 

то все хорошо, скажете вы, но ведь мы состоим не только из позвоночника, у нас ведь еще есть руки и ноги, при удачном стечении обстоятельств наделенные прекрасными, аристократично-длинными пальцами? Правильно. Так вот, чтобы вырастить трехмерную руку или ногу, нужны три вида генов, каждый из которых отвечает за одно из трех измерений развития конечности. У совсем маленького эмбриона будущие руки / крылья / лапы и ноги выглядят как бугорки, в которых с разной степенью концентрации расположены эти гены, создающие градиенты. А когда происходит рост, 3D-форма задается так: чем больше концентрация гена, тем эта часть конечности дальше от тела, чем меньше — тем ближе. Так появляются плечо, кончики пальцев и т. д.

 

 

Ген, отвечающий за развитие конечности (их передне-задней оси), называется Sonic Hedgehog — «Ежик Суперсоник». И если мама курит много крэка или любит перед сном как следует накатить, то у ребенка есть все шансы получить мутацию, например, этого гена и стать самому Ежиком Суперсоником, который весь будет покрыт ручками и ножками. Если вам такая перспектива не по душе, советую в следующий раз задуматься о возможном будущем генов своего эмбриона, прежде чем сами знаете что.

Кроме поэтичного «Ежика Суперсоника», есть еще и другие прекрасные названия генов, например, ген Tinman («Железный дровосек») отвечает за развитие сердца.

Все гены, из которых потенциально может вырасти любая часть тела и орган, еще называют toolkit genes — гены из ящичка с инструментами. Все они помогают сформировать наше тело таким, каким мы его знаем. Они содержатся и в наших клетках, и в клетках осьминога. Различается лишь их количество, так, например, у рыбы-капли, также известной «как самая грустная рыба на земле», находят (непонятно, правда, зачем) целых семь кластеров HOX-генов, а у человека — всего лишь четыре.

 

Таким образом, весь путь длиной в девять месяцев у человека и почти два года у слона можно представить в виде простейшей схемы:

1. Все начинается с зиготы, единой дефинитивной клетки, в которой содержится вся нужная для развития организма информация.

2. Далее происходит развитие многоклеточной неоднородной массы, в которой одни гены образуют градиенты и размечают на сегменты всю массу, образуя тем самым оси развития будущего эмбриона.

3. А потом подключаются другие гены и запускают в каждом из сегментов свою программу развития.

И мы начинаем расти!

 

юбое чудо природы можно разложить по полочкам. Но не стоит думать, что все так просто! Многие из вас наверняка слышали о том, что скоро органы будут печатать на 3D-принтерах. Мечтайте! Пока что удалось напечатать и успешно пересадить человеку только трахею. Процесс печати органа — это прежде всего процесс печати его контура, куда впоследствии подсаживают клетки, которые как бы заполняют форму собой. И это возможно сделать с простыми органами, не отличающими особой клеточной сложностью. Что касается сердца или печени, пока что на чудо надеяться не приходится. А про мозг — самое сложное сооружение Вселенной — и вовсе думать не стоит. Пока что предлагаю довольствоваться тем, что мы узнали, как у нас растут пальцы и почему они не растут на спине.

Кстати, вы в курсе, что у легочной рыбы в геноме содержится 130 млрд пар оснований против наших 3 млрд? Так что поуважительней в следующий раз с рыбами, ОК?