Главные регуляторы эмбрионального развития: у людей и плодовых мушек схожие Hox-гены
Hox-гены — это главные регуляторы эмбрионального развития всех животных, включая людей, мух и червей. Они определяют, какие части тела где будут располагаться. Неудивительно, что если с этими генами что-то пойдет не так, последствия могут быть катастрофическими.
У плодовой мушки Drosophila мутация в Hox-гене может привести к серьезным изменениям — например, к появлению лишней пары крыльев или к росту ног вместо усиков на голове.
«Задача Hox-генов — сказать клеткам на ранних стадиях эмбрионального развития, чем им стать: создать ли глаз, усик или крыло, — говорит Роберт Дрюэлл, доцент биологии в Колледже Харви Мадда. — Даже единичная мутация в Hox-гене может привести к таким драматичным аномалиям».
Hox-гены есть и у людей. Поэтому Дрюэлл пытается понять молекулярную функцию этих генов у плодовой мушки, чтобы больше узнать об их работе у человека.
Генетически люди и плодовые мушки очень похожи; многие известные гены человеческих болезней имеют узнаваемое соответствие в генетическом коде мушки. Таким образом, изучение мушек может дать представление о некоторых врожденных дефектах, таких как лишние ребра или пальцы, и потенциально серьезных заболеваниях.
«У нас точно такие же гены, и мы используем их точно так же, — говорит он. — Поняв их у Drosophila, мы можем понять их и у людей».
Исследование Дрюэлла финансируется грантом NSF CAREER, который он получил в 2009 году. Грант составляет около $600 000 на пять лет.
Hox-гены полностью консервативны в ходе эволюции животных, то есть присутствовали уже около 530 миллионов лет назад, когда появились многие сложные формы животной жизни.
Плодовые мушки — модельные организмы для генетики: у них короткая продолжительность жизни, они маленькие и легко размножаются. Кроме того, их полностью расшифрованный генетический чертеж предоставляет богатый материал для компьютерного анализа.
«Мы живем в постгеномную эру и можем сравнивать виды, чтобы увидеть, как именно регуляторные регионы Hox-генов меняются со временем», — отмечает Дрюэлл.
Его лаборатория использует несколько подходов, применяя биологию, генетику и вычислительные методы.
«Мы создаем так называемые "репортерные" гены, — объясняет ученый. — Мы конструируем эти искусственные гены в лаборатории, а затем вводим их обратно в Drosophila. Это позволяет нам измерить, что происходит с этими генами. Мы тестируем, отвечают ли разные фрагменты ДНК из Hox-генов за регуляцию того, когда и где ген включается и выключается».
Благодаря доступному геному мушки, используя методы вычислительной биологии, можно сравнивать виды и смотреть, как эти регуляторные регионы меняются. «Через этот процесс мы можем, по сути, начать понимать роль, которую Hox-гены играют в контроле за идентичностью клеток в развивающемся эмбрионе. Мы можем делать это для всех животных, включая людей».
Образовательная составляющая гранта CAREER позволила Дрюэллу внедрить в учебный план математические и вычислительные подходы и дать студентам-бакалаврам возможность заниматься исследованиями.
«В Харви Мадде нет аспирантуры, поэтому все исследования, по сути, делают студенты, — говорит он. — Они получают возможность сделать то, что в ином случае им было бы недоступно. Каждый студент полностью поощряется к тому, чтобы взять на себя ответственность за свой проект. Это часто впервые знакомит их с исследовательской сферой и закладывает отличную основу для их будущей научной работы».