Генетическая GPS-система развития животных объясняет, почему конечности растут из туловища, а не из головы
Почему люди выглядят как люди, а не как шимпанзе? Хотя мы разделяем 99% нашей ДНК с шимпанзе, наши лица и тела выглядят по-разному.
В то время как форма и внешний вид человеческого тела явно изменились в ходе эволюции, некоторые гены, контролирующие определяющие характеристики разных видов, удивительным образом остались прежними.
Головы против хвостов
План тела описывает, как организовано тело животного от головы до хвоста. Все животные с двусторонней симметрией имеют сходные планы тела: голова формируется на переднем конце, конечности — в средней части, хвост — на заднем.
Гены Hox играют ключевую роль в установлении этого плана. Эта группа генов действует как генетическая GPS-система, определяя, во что превратится каждый сегмент тела в процессе развития. Они гарантируют, что ваши конечности растут из туловища, а не из головы, контролируя другие гены, которые инструктируют формирование конкретных частей тела.
Все животные имеют гены Hox и экспрессируют их в сходных областях тела. Более того, эти гены не изменились на протяжении всей эволюционной истории.
Эксперимент на грани фантастики
В 1990 году молекулярный биолог Уильям Макгиннис и его команда задались вопросом, могут ли гены Hox одного вида функционировать аналогично в другом виде. Это была смелая идея, учитывая, что последний общий предок мух и млекопитающих жил более 500 миллионов лет назад.
Исследователи вставили гены Hox мыши или человека в плодовых мушек и активировали их в неправильных областях тела — например, поместив ген Hox, который указывает, где развиваться человеческой ноге, в переднюю часть головы мухи.
Удивительно, но гены Hox мыши и человека превратили антенны мухи в ноги. Это означало, что позиционная информация, предоставляемая этими генами, все еще распознавалась мухой спустя миллионы лет эволюции.
Как работают гены Hox?
Существуют две основные гипотезы:
- Инструктивная гипотеза: гены Hox действуют как «главные» регуляторные гены, дающие инструкции по формированию частей тела.
- Гипотеза Макгинниса: гены Hox предоставляют позиционный код, который маркирует конкретные места в теле. Гены используют эти коды для создания специфических структур.
В недавнем исследовании, опубликованном в Science Advances, ученик Макгинниса Анкуш Аурадкар проверил эти гипотезы на плодовых мушках.
Он сфокусировался на гене Hox proboscipedia (pb), который направляет формирование ротового аппарата мухи. Используя CRISPR-редактирование генома, он заменил ген pb у лабораторной мушки Drosophila melanogaster (D. mel) на ген от её гавайского родственника Drosophila mimica (D. mim), у которого ротовой аппарат имеет решетчатую структуру.
- Если бы была верна инструктивная гипотеза, D. mel развила бы решетчатый ротовой аппарат D. mim.
- Если бы была верна гипотеза Макгинниса, ротовой аппарат D. mel остался бы прежним.
Как и предсказывал Макгиннис, мухи с геном D. mim не развили решетчатые черты. Однако одна особенность D. mim всё же проявилась: сенсорные органы, называемые максиллярными щупиками, которые у D. mel торчат из лица, у мутантных мух были выровнены параллельно рту.
Это показало, что ген pb предоставляет и маркер того, где должен формироваться рот, и инструкции о том, как его формировать. Основной результат подтвердил теорию Макгинниса, но обе гипотезы в значительной степени оказались верны.
Дальнейшие эксперименты показали, что эта особенность D. mim возникла из-за изменения силы экспрессии гена pb в областях, формирующих щупики, а не из-за изменений в самом кодируемом белке. Это вновь подчеркивает поразительную сохранность функции белков Hox в ходе эволюции.
Также было обнаружено, что гены Hox ведут эволюционную борьбу за превосходство друг с другом, и даже тонкие изменения в их взаимодействии могут иметь значительные последствия для формы тела организма.
Гены Hox и здоровье человека
Эти исследования на мухах важны по двум причинам:
- Они дают понимание того, как планы тела разных видов меняются в ходе эволюции, и могут объяснить, почему люди больше не похожи на шимпанзе.
- Эти знания могут привести к лучшему пониманию причин возникновения врожденных пороков развития у людей. Мутации, нарушающие нормальную работу генов Hox, могут приводить к таким состояниям, как заячья губа или врожденный порок сердца. Новые методы терапии на основе CRISPR-редактирования генома в будущем могут быть использованы для лечения этих заболеваний, включая мышечную дистрофию.