От синих китов до дождевых червей: общий механизм определяет форму живых существ

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Женевского университета (Unige) раскрыли механизм, с точностью определяющий расположение позвонков, конечностей и других структур в эмбрионе. Открытие опубликовано 13 октября 2011 года в журнале Science.

Эмбрион строится слой за слоем

В течение примерно 48 часов эмбрион формируется сверху вниз, сегмент за сегментом — этот процесс называется сегментацией. Каждые полтора часа строится новый сегмент, соответствующий будущим позвонкам (шейным, грудным, поясничным, копчиковым). Гены активируются в строго определённой последовательности. «Если тайминг не соблюдается буквально, у вас могут вырасти рёбра от поясничных позвонков», — отмечает профессор Дени Дюбуль.

Когда ДНК работает как механические часы

Ключевую роль играют Hox-гены, ответственные за формирование конечностей и позвоночника. Они расположены друг за другом на нити ДНК в строгом порядке: сначала гены для шеи, затем для грудного отдела, поясницы и так далее.

В начале развития эмбриона Hox-гены «спят», упакованные, как клубок ниток. В нужный момент нить ДНК начинает разматываться. Когда формируются верхние уровни эмбриона, первыми «сходят с клубка» и активируются гены для шейных позвонков, затем для грудных и так далее до копчика.

«Новый ген выходит из клубка каждые девяносто минут, что соответствует времени, необходимому для построения нового слоя эмбриона, — объясняет Дюбуль. — Полное разматывание нити занимает два дня — ровно столько, сколько нужно для завершения всех слоёв эмбриона».

Это первая обнаруженная «механическая» генетическая часовая система, объясняющая исключительную точность процесса.

Змея: конвейер по производству позвонков

Этот механизм общий для многих живых существ — от человека и синего кита до червей и насекомых. Тело змеи — наглядная иллюстрация. Ранее Дюбуль обнаружил у змей дефект в Hox-гене, который в норме останавливает процесс создания позвонков. «Теперь мы понимаем, что происходит. Процесс не останавливается, и эмбрион змеи продолжает создавать идентичные позвонки, пока механизм просто не исчерпает себя».

Hox-часы демонстрируют чрезвычайную стабильность. «Циркадные или менструальные часы основаны на сложной химии и могут адаптироваться, но в целом довольно неточны. Наш механизм должен быть бесконечно более стабильным и точным. Даже малейшее изменение может привести к emergence нового вида», — заключает Дюбуль.