Рассказ предка

Эмбриональным развитием управляют гены, но происходить это может двумя разными способами. В “Рассказе Мыши” мы говорили о них как о чертеже и рецепте. Строитель строит дом согласно чертежу. Когда повар готовит пирог, он не кладет крошки и изюминки в определенные места, а определенным способом добавляет ингредиенты, просеивая их, перемешивая, взбивая или нагревая. В учебниках по биологии ДНК нередко описывается – ошибочно! – как чертеж. Развитие эмбриона не имеет ничего общего с чертежом. ДНК – не описание плана строения тела. Возможно, на какой-нибудь иной планете существа и развиваются согласно эмбриологическим “чертежам”, но мне трудно это представить. Это была бы совсем другая жизнь. На Земле эмбрионы развиваются по “рецепту”. Можно привести другую аналогию, которая в определенном смысле подходит даже лучше рецепта: эмбрионы похожи на оригами.

Аналогия с оригами уместнее для раннего эмбриологического развития, чем для позднего. Основной план строения тела закладывается путем серии складываний и инвагинаций слоев клеток. Позднейшие стадии развития большей частью представляют собой рост. Эмбрион “надувается”, как воздушный шар. Однако части эмбриона “надуваются” с разной скоростью и под строгим контролем. Это явление известно как аллометрия. В “Рассказе Дрозофилы” мы рассмотрим в основном раннюю, “оригамную” стадию развития, а не позднюю, инфляционную.

Клетки в эмбрионе не выкладываются по порядку, как кирпичи, согласно чертежу. Эмбриональное развитие определяется поведением клеток. Клетки притягивают или отталкивают другие клетки. Они изменяют форму различными способами. Они синтезируют вещества, которые могут распространяться, влиять на другие клетки, даже находящиеся на расстоянии. Иногда клетки выборочно погибают, освобождая место для других. Как термиты, кооперирующиеся для постройки термитника, клетки “знают”, что им делать, благодаря соседним клеткам, и градиентам концентрации химических веществ. Все клетки эмбриона содержат одни и те же гены. Поэтому различия в поведении клеток обусловливают не гены. Клетки различаются набором генов, определяющих различия в содержании белков – продуктов этих генов.

На самом раннем этапе эмбрионального развития клетка должна “узнать”, в каком положении она относительно двух осей эмбриона: передне-задней и дорсовентральной. “Узнать” – в первую очередь означает, что поведение клетки определяется ее позицией относительно химических градиентов по каждой из двух осей. Такие градиенты возникают еще в яйцеклетке и, значит, находятся под контролем материнских генов, а не ядерных генов оплодотворенного яйца. Например, в материнском генотипе дрозофилы существует ген bicoid, который экспрессируется в клетках-“кормильцах”, питающих яйца. Белок, который синтезирует ген bicoid, доставляется в яйцо, где он распределяется градиентно от одного конца к другому. Получившийся градиент концентрации этого белка (и других подобных веществ) определяет передне-заднюю ось эмбриона. Сходные градиенты, расположенные перпендикулярно, определяют дорсовентральную ось.

Эти маркирующие концентрации сохраняются в клетках, которые образуются при последующих делениях яйца. Первые несколько делений происходят без добавления нового материала и являются неполными: образуется много ядер, но они не полностью разделяются клеточными стенками. Такую многоядерную “клетку” называют синцитием. Позднее формируются перегородки, и эмбрион становится по-настоящему клеточным. В ходе этого процесса сохраняются исходные химические градиенты. Поэтому клеточные ядра в разных частях эмбриона окружены разными концентрациями ключевых веществ, соответствующих исходным градиентам осей яйцеклетки. В результате в разных клетках включаются разные гены (теперь речь, конечно, идет о генах не матери, а эмбриона). Так начинается дифференциация клеток, и тот же принцип определяет дальнейшую дифференциацию на более поздних стадиях развития. Исходные градиенты, заданные материнскими генами, уступают место новым, более сложным, которые создаются собственными генами эмбриона. Последующие расхождения линий эмбриональных клеток приводят к дальнейшим дифференциациям.