Невероятная случайность бытия. Эволюция и рождение человека

Плодовые мушки дрозофилы известны своим огромным вкладом в генетику. Все началось на заре ХХ века в лаборатории Колумбийского университета. В 1909 году специалист по эволюционной биологии Томас Хант Морган, которому до смерти надоело заниматься выяснением механизмов регенерации червей и эмбрионального развития лягушек, обратился к изучению наследственности, используя в качестве модели скромных, незаметных дрозофил. Морган получал мух-мутантов, и некоторые мутации передавались по наследству, проявляя менделевское расщепление – классическое соотношение доминантных и рецессивных фенотипов 3:1. За несколько десятилетий до того, как были расшифрованы молекулы, кодирующие гены, Морган своими работами доказал, что ведущую роль в передаче наследственной информации играют хромосомы и что гены располагаются вдоль хромосом в линейной последовательности. За свои пионерские работы Морган в 1933 году был удостоен Нобелевской премии, а дрозофилы с тех пор надолго застолбили свое привилегированное место в генетических лабораториях.

В 1970-х годах генетики научились секвенировать гены, используя для этого хроматографию. После этого были разработаны методы флуоресцентного мечения строительных блоков ДНК и процесс определения последовательности этих строительных блоков в ДНК был автоматизирован. Я однажды снялась в фильме, посвященном работе лаборатории, занимающейся секвенированием ДНК, и телевизионщики были очень недовольны процессом работы, который оказался невероятно скучным: лаборатории битком набиты белыми ящиками, стоящими на полках, и процесс определения последовательности блоков ДНК протекает именно в них, оставаясь невидимым для посторонних глаз, и проходит без участия человека, в автоматическом режиме.

Когда последовательность генов дрозофилы была полностью выяснена, плодовая мушка неожиданно выдала поразительную генетическую тайну. Дело в том, что одна группа мух-мутантов всегда особенно интересовала генетиков. У этих мутантов наблюдали смещение частей тела: иногда брюшные сегменты оказывались в области головогруди, или у мутантов было два набора крыльев вместо одного, или ноги росли из головы вместо привычных антенн. В конце XIX века английский эмбриолог Уильям Бейтсон ввел термин для обозначения трансформации одной части тела в другую: гомеозис. Генетики занялись мутациями ДНК, вследствие которых появлялись столь необычные особи, и обнаружили «гомеозисные гены», которые управляют образованием и дифференцировкой определенных сегментов и в эмбрионах нормальных особей. В экспериментах, по ходу которых у мутантов удаляли все гомеозисные гены, в результате получались странные личинки с совершенно одинаковыми сегментами. Особенно интересно было выяснить положение этих генов в ДНК дрозофилы. Большинство генов разбросаны по геному совершенно случайным образом, и даже те гены, которые работают в тесном согласии друг с другом, могут располагаться даже в разных хромосомах. Но гомеозисные гены всегда расположены на одной хромосоме, причем в той же последовательности, как и кодируемые ими фенотипические признаки, – они проявляются в определенной последовательности по длине тела от головы до хвоста.

Гомеозисные гены преподнесли генетикам еще один сюрприз: когда гены были секвенированы, то оказалось, что каждый из них содержал одну идентичную короткую последовательность ДНК, включавшую около 180 пар оснований. Эту последовательность назвали «гомеобоксом», или сокращенно Hox-генами. Эти гены являются «контролирующими», они направляют деятельность других генов. Гомеобокс играет решающую роль в этом контроле – он кодирует белок, способный связываться с молекулой ДНК.

Однако подлинный сюрприз заключался в том, что гены Hox не только контролируют проявления фенотипических признаков у мух-дрозофил. Эти гены присутствуют в геномах всех насекомых и даже всех членистоногих. Есть эти гены и у червей. Более того, эти гены присутствуют у всех животных с сегментированным строением тела, включая и позвоночных. Это говорит о невероятной древности Hox-генов: наш последний общий с дрозофилами предок с этими генами жил около 800 миллионов лет назад. И хотя плодовые мушки дрозофилы – наши очень отдаленные родственники, все же основной план строения нашего тела также определяется Hox-генами на эмбриональной стадии развития.

Сходные Hox-гены контролируют строение сегментов тела у плодовых мушек и у человеческого эмбриона

У дрозофил и у других насекомых только один набор Hox-генов; их восемь, и они располагаются в один ряд, следуя друг за другом. Наш старый знакомец ланцетник обладает кластером из четырнадцати Hox-генов; однако дупликация (удвоение) отрезков генома у различных групп позвоночных привела к образованию нескольких таких кластеров. У млекопитающих таких кластеров четыре, и располагаются они в разных хромосомах.