Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Возьмем тот же белок Sonic hedgehog: он не распределен по эмбриону равномерно, но и не сосредоточен в фиксированной концентрации в каких-то избранных областях. Sonic hedgehog скорее образует градиент концентрации: она постепенно снижается по мере удаления от места, где белок синтезируется. (Как и все белки, он со временем распадается, и потому его общее количество не растет постоянно.) Этот градиент – следствие обычной диффузии, случайного блуждания молекул из исходных точек, которое, как мы видели в главе 6, приводит к размыванию молекулярного облака. Sonic hedgehog производится во многих частях развивающихся организмов, потому возникает множество локальных градиентов. Одна из таких зон – зачаток конечности, который обретает форму на третьей неделе человеческого эмбриогенеза. В этом зачатке (их всего четыре) Sonic hedgehog сконцентрирован с одной стороны, а по мере продвижения к другой его содержание снижается.

Если вы повернете свою левую руку ладонью к себе и пальцами вверх, ваш большой палец окажется слева, а мизинец – справа. Хотя мы с вами не встречались, я могу уверенно сказать, что ваши пальцы расположены именно так, а не наоборот и не в случайном порядке. Их расстановка определяется градиентом Sonic hedgehog: там, где белка больше всего, формируется мизинец, а там, где меньше, – большой палец. У других животных процесс аналогичен. В зачатке крыла цыпленка градиент Sonic hedgehog определяет порядок трех костных пальцев, которые формируются по схеме 3-2-1 в соответствии с профилем концентрации диффундирующего белка (см. верхнюю часть рисунка: размытием темного пятна обозначен градиент Sonic hedgehog, а кости показаны так, как они формируются у четырехдневного эмбриона). Пересадка ткани из места синтеза белка в одном зачатке крыла в область низкой его концентрации в другом зачатке создает два зеркальных профиля концентрации, располагающих шесть пальцев в порядке 3-2-1-1-2-3 (нижняя часть рисунка)⁵. Клетки просто считывают локальную концентрацию Sonic hedgehog, не ведая о странных манипуляциях, которые ее создали. В эксперименте Шэрил Тикл и ее коллег из британского Университета Бата закономерности развития куриных крыльев использовали, чтобы отследить процессы, определяющие судьбу каждого пальца позвоночных животных, и заодно установить, от каких динозавров произошли птицы. Концентрацию Hedgehog зародышевые клетки оценивают испокон веков. Его градиенты определяют, например, последовательность пальцев на вашей руке и последовательность присосок на щупальце каракатицы⁶, хотя последний общий предок человека и каракатицы жил более полумиллиарда лет назад. (Напомню, каракатицы – это головоногие моллюски, состоящие в близком родстве с кальмарами и осьминогами.)

Градиенты Sonic hedgehog руководят организацией и других частей тела, не только конечностей: они играют важную роль в формировании нервной системы, легких, зубов, черт лица и многого другого. Кроме того, этот белок проявляет себя при раке: развитие злокачественных опухолей часто сопряжено с активацией эмбриональных генетических процессов, подстегивающих стремительный, но в этом случае нежелательный рост⁷.

Sonic hedgehog – один из многих морфогенов, веществ, которые управляют формообразованием посредством разницы их концентраций. Существование морфогенов в 1952 году, за несколько десятилетий до обнаружения реальных примеров, предсказал математик и пионер информатики Алан Тьюринг; он даже дал им название в своей провидческой статье о теоретической возможности существования таких систем⁸. В каждом развивающемся эмбрионе сосуществуют и взаимодействуют многочисленные морфогенные градиенты.

Что же делают морфогены? Чаще всего они либо напрямую, либо через посредников регулируют транскрипцию, включая и выключая разные гены, как описано в главе 4. Эффективность фактора транскрипции зависит от его концентрации. Это тоже вытекает из физики: связывание любой молекулы с любой другой происходит в постоянной суматохе прикреплений и откреплений, и вероятность того, что какой-то фактор транскрипции свяжется с ДНК-мишенью, тем выше, чем больше его копий плавает в среде. Функция отклика – вероятности того, что ген экспрессируется, или изменения уровня синтеза его белка – может быть гладкой, отражающей его зависимость от концентрации активатора или репрессора транскрипции, или с резким изломом, как при переключении тумблера – когда отклик может быть почти нулевым при низкой концентрации активатора и высоким («включенным») после превышения какого-то его порогового уровня.