Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных

У позвоночных найдено три гена hedgehog, которые в поддержание установившейся в генетике дрозофил традиции получили названия Sonic hedgehog (в честь персонажа видеоигры), Desert hedgehog и Indian hedgehog (в честь настоящих животных). Первое потрясение ждало генетиков, когда Клифф Табин и его коллеги из Гарвардского университета стали изучать экспрессию гена Sonic hedgehog в развивающейся конечности цыпленка и обнаружили, что он включается только на заднем конце почки конечности. Эта область по локализации практически совпадала с зоной поляризующей активности Сондерса, описанной им несколько десятков лет назад, в ходе экспериментов с трансплантацией. Чтобы проверить возможное действие Sonic hedgehog в ЗПА исследователи разными путями вызывали экспрессию этого гена в других участках почки конечности. И в результате они получили тот же самый набор случаев полидактилии, что и Сондерс: последовательность дополнительных пальцев всегда имела обратную полярность по отношению к нормальной. Зона экспрессии Sonic hedgehog была не просто частью ЗПА; активность ЗПА полностью зависела от экспрессии Sonic hedgehog. Более того, ген Sonic hedgehog фигурирует не только в истории с цыпленком.

Помните описание людей с полидактилией? Теперь известно, что определенный тип полидактилии вызван мутацией, нарушающей экспрессию Sonic hedgehog в ходе эмбрионального развития конечностей человека. Это не просто красивая иллюстрация гомологичности конечностей позвоночных, но и потрясающий пример того, как открытия, сделанные при изучении дрозофилы, помогают развитию медицинской генетики.

Но это еще не все.

Помните овцу-циклопа (по-моему, эту картину забыть нельзя) и историю про тератоген циклопамин? Теперь мы понимаем, что циклопамин является ингибитором сигнального пути с участием Sonic hedgehog у млекопитающих. Он блокирует часть рецептора, так что клетки, которые должны отреагировать на сигнал белка Sonic hedgehog, не могут этого сделать. Еще один регион эмбриона позвоночных, в развитии которого данный сигнальный путь играет важную роль, — вентральная средняя линия. Сигналы от клеток вентральной средней линии играют критическую роль в подразделении вышележащих тканей на левое и правое глазные поля и левое и правое полушария головного мозга. Если беременная овца в определенный момент подвергается воздействию циклопамина, нормальное течение процесса развития останавливается и рождается циклоп. Человеческие эмбрионы не подвергаются действию циклопамина, но, возможно, аналогичное действие оказывает этиловый спирт. Алкогольный синдром плода является проявлением отравления алкоголем на критическом сроке беременности, приводящим к голопроэнцефалии. Мутации, нарушающие активность гена Sonic hedgehog или других компонентов этого сигнального пути, тоже могут приводить к циклопии.

Врожденные дефекты — это один пример последствий поломки генов из набора генов развития. Другой пример — рак. Опухоли возникают тогда, когда клетки выходят из-под контроля внутренних и внешних ограничителей, а это может быть вызвано нарушением ответа на клеточный сигнал. Подходящий пример — базальноклеточная карцинома, наиболее распространенный тип рака кожи, особенно на лице и на шее у людей, долгое время находившихся на солнце. Во многих случаях клетки этой опухоли имеют мутацию рецептора Sonic hedgehog. Эта мутация приводит к слишком высокой активности данного сигнального пути. Поэтому один из химиотерапевтических подходов к лечению этого типа рака может заключаться в использовании ингибиторов сигнального пути, включая (догадались?) циклопамин. Вот такое научное путешествие от мертворожденных ягнят к растительным токсинам и противоопухолевой терапии человека. Некоторые виды опухолей головного мозга и поджелудочной железы теперь тоже пытаются лечить с помощью веществ, влияющих на сигнальный путь с участием гена hedgehog, поскольку такие опухоли связаны с мутациями этого пути.

Я очень сомневаюсь, что когда в конце 1970-х гг. Нюсляйн-Фольхард и Вишаус начинали изучать мутантов дрозофилы, они думали о том, что их результаты помогут понять суть полидактилии, циклопии или рака. Однако значение открытия генетического набора инструментов у дрозофилы оказалось намного шире, чем кто-либо мог предполагать. И сегодня, когда мы глубже понимаем наше генетическое родство, биологи и медики привычно используют дрозофил и других "низших" животных для изучения человеческих заболеваний.

Парадокс набора генов развития и истоки биоразнообразия