Долгое время существовавшая генетическая теория не совсем выдерживает проверку, выяснили биологи

Биологи из Нью-Йоркского университета обнаружили новые механизмы, контролирующие экспрессию белков в разных регионах эмбрионов, а также получили дополнительное представление о том, как физические признаки организованы в планах тела. Их выводы, опубликованные в журнале Cell, требуют пересмотра десятилетиями существовавшей биологической теории.

Исследователи изучили конкретную теорию — теорию морфогенов, которая предполагает, что белки, контролирующие признаки, расположены в виде градиентов, и разные количества белков активируют гены для создания специфических физических черт. Эта теория была впервые выдвинута в 1950-х математиком и взломщиком кодов Второй мировой войны Аланом Тьюрингом и доработана в 1960-х Льюисом Уолпертом. Её использовали, чтобы объяснить, почему у тигра есть полосы, среди других явлений.

Однако некоторые биологи задавались вопросами о теории, которая утверждает, что физические черты обязательно связаны с абсолютными концентрациями белков в градиенте морфогена. Если присутствует определённая критическая масса белка, то проявится данная физическая черта — например, клетки, образующие кожу на лбу. Если этой критической массы меньше, появится другая структура — скажем, кожа, образующая брови, — и между двумя структурами сформируется граница.

Альтернативные взгляды предполагали, что физические черты не обязательно являются результатом определённого количества белков, а возникают из более сложных взаимодействий между несколькими градиентами, работающими друг против друга.

Биологи NYU исследовали этот процесс, изучая плодовую мушку Drosophila, мощную модель для изучения генетического развития, так как она поддаётся точным генетическим манипуляциям. Они сосредоточились на одном белке, Bicoid (Bcd), который экспрессируется в градиенте с наивысшими уровнями на конце эмбриона, который станет головой взрослой мухи.

Исследователи под руководством Стивена Смолла, заведующего кафедрой биологии NYU, изучили большое количество генов-мишеней, которые напрямую активируются Bcd. Каждый ген-мишень экспрессируется в области эмбриона с границей, соответствующей определённой структуре.

Изучив последовательности ДНК, связанные с этими генами-мишенями, исследователи NYU обнаружили сайты связывания для трёх других белков — Runt, Capicua и Kruppel, — которые действуют как репрессоры. Все три белка экспрессируются в градиентах с наивысшими уровнями в средней части эмбриона и, таким образом, расположены в точности противоположной ориентации по сравнению с градиентом активации Bcd.

Изменяя пространственное распределение репрессоров и манипулируя их сайтами связывания, Смолл и его коллеги показали, что эти репрессоры антагонизируют Bcd-зависимую активацию и абсолютно критичны для установления правильного порядка границ, которые обнаруживаются в нормальном эмбрионе.

Другими словами, вопреки теории Тьюринга, одного градиента белков недостаточно для формирования одного и того же плана тела у каждой особи вида; однако, если есть несколько градиентов, работающих друг против друга, система становится достаточно устойчивой для нормального развития.

Хотя результаты ставят под сомнение теорию морфогенов, исследователи пояснили, что их выводы не «опровергают» её, а скорее предполагают, что она нуждается в некоторой дополнительной доработке.