Новое исследование объясняет генетическую основу нашего внешнего вида

Какие гены контролируют определяющие черты, которые делают нас такими, какие мы есть? И как они это делают?

В 1990 году биолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего Уильям Макгиннис провел ключевой эксперимент, который помог ученым понять, как гены высокого уровня контроля — Hox-гены — формируют черты нашего облика. «Эксперимент Макгинниса» проложил путь к пониманию роли Hox-генов в определении единообразия внешнего вида видов — от человека и шимпанзе до мух.

Макгиннис, почетный профессор клеточной биологии и биологии развития, помог открыть определяющую область ДНК, которую он назвал «гомеобоксом» — последовательностью внутри генов, направляющей анатомическое развитие. С тех пор эволюционные биологи и биологи развития размышляли, как эти высоковлиятельные Hox-гены определяют идентичность разных частей тела.

Более трех десятилетий спустя исследование, опубликованное 10 ноября в Science Advances и проведенное под руководством постдока Калифорнийского университета в Сан-Диего Анкуша Аурадкара (наставник — соавтор Макгиннис, старший автор — Итан Бир), помогает ответить на вопросы о том, как функционируют Hox-гены.

Классический эксперимент Макгинниса проверял, могут ли белки, продуцируемые человеческим или мышиным Hox-геном, функционировать у мух. Следуя по этим стопам, новое исследование использовало современное CRISPR-редактирование генов, чтобы выяснить, можно ли заменить все аспекты функции Hox-гена (включая как кодирующие белок, так и контрольные области) у обычной лабораторной плодовой мушки (Drosophila melanogaster) на его аналог от более редкого гавайского родственника (Drosophila mimica), у которого совершенно другое «лицо».

Исследуемый ген proboscipedia был выбран потому, что он напрямую определяет формирование радикально разных ротовых частей — гладких и губчатых у D. melanogaster, но более решетчатых (напоминающих лицо пришельца из фильма «Хищник») у D. mimica.

Соавтор исследования Эмили Балджер сначала собрала образцы печально известных сложностью в разведении D. mimica в Национальном парке Гавайские вулканы, вместе с единственным местным фруктом (Sapindus saponaria — гавайское мыльное дерево), которым, как известно, питаются эти насекомые, чтобы создать временную колонию в лаборатории Бира. Затем Аурадкар совместно с соавтором Сушилом Девкотой расшифровал последовательность генома гена proboscipedia у D. mimica, длина которого составила почти 44 000 оснований. Исследователи удалили ген proboscipedia у D. melanogaster и заменили его версией от D. mimica.

Как и предсказывал Макгиннис, новые результаты показали, что изящная лицевая структура D. melanogaster оказалась «победителем» над грубыми чертами D. mimica. Однако одна черта D. mimica все же проявилась в эксперименте: сенсорные органы, называемые максиллярными щупиками, которые у D. melanogaster торчат из «лица», у мутантов расположились параллельно ротовым частям, как у D. mimica. Аурадкар использовал сложные генетические инструменты, чтобы определить основу этого различия, и проследил ее до изменения паттерна активации гена proboscipedia (изменения в контрольной области).

Результаты эксперимента помогают ответить на давние вопросы о том, функционируют ли Hox-гены как «главные» регуляторные гены, диктующие формирование разных частей тела организмов. Или же, как предположил Макгиннис, Hox-гены предоставляют абстрактные позиционные коды и служат каркасом для нижестоящих генов, которые приносят наибольшую пользу организму. За исключением максиллярных щупиков, новые результаты продемонстрировали, что идея Макгинниса о каркасе оказалась верной.

По словам Макгинниса, помимо значения для эволюционной биологии, результаты могут помочь объяснить проблемы развития, коренящиеся в фундаментальных генетических процессах человека.

«Эти исследования на мухах открывают окно в глубокое эволюционное прошлое и информируют нас о механизмах, с помощью которых меняются планы строения тела в ходе эволюции, — сказал Бир. — Эти идеи могут привести к лучшему пониманию процессов, связанных с врожденными дефектами у людей. С появлением на горизонте мощных новых CRISPR-систем для генной терапии человека могут быть сформулированы новые стратегии для смягчения некоторых последствий этих часто изнурительных состояний».