Биологами раскрыт еще один из секретов эволюции. На этот раз ученым из университетов Висконсина и Питсбурга (США) удалось выяснить, каким образом небольшие изменения в ДНК могут приводить к радикальным преобразованиям организма животных.
Суть загадки, раскрытию которой посвящена статья исследователей в журнале PNAS (сокращение от Proceedings of the National Academy of Science), такова: у большинства живых организмов гены примерно одинаковы. Например, у мыши всего есть около 20 тыс. генов, и примерно столько же насчитывается у человека, хотя человек, очевидно, устроен несколько иначе в целом. В частности, имеет намного более сложный мозг. Но и число генов, и сама их последовательность у нас очень схожи - почему?
Схожесть молекул, из которых построены тела самых разных животных, еще можно было бы объяснить, представив эти молекулы детальками детского конструктора. Из конструктора можно собрать и здания, и модель вертолета, и фантастических роботов, при этом сходство между многими деталями из совершенно разных игрушек будет очевидным. Но проблема в том, что живой организм - это не просто совокупность деталек, но и некоторая инструкция по сборке, воплощенная в тех же молекулах. Возьмите коробку с роботом из конструктора, выньте из нее инструкцию по сборке, и она будет радикально отличаться от инструкции к катеру. Каким образом столь разные организмы могли появиться из какого-то общего предка?
В общем виде ответ на этот вопрос был дан еще Чарлзом Дарвином, который объяснил появление новых видов (и новых инструкций по сборке организма) через серию изменений, которые давали преимущество в естественном отборе. Но и в рамках "игрушечной" аналогии, и просто с точки зрения обыденной логики признать такое объяснение сложно, ведь почти все органы являют собой сложные системы из специализированных клеток, равно как и отдельные белки тоже обладают очень узкой специализацией! Для переноса кислорода в крови сразу требуется много гемоглобина, для работы глаза необходимо сочетание сетчатки, роговицы, хрусталика и специальных мышц, а появление легких требует и гемоглобина (иначе куда им отдавать кислород?), и сложной структуры из специальных клеток. Как появились столь сложные органы? Даже если считать, что все необходимые для нового органа молекулы тело уже научилось синтезировать?
Исследование американских ученых было направлено как раз на изучение того, как малое изменение в одном гене приводит к радикальному изменению "инструкции по сборке". Биологи выбрали мушек-дрозофил, выделили в их геноме ген Nep-1 (про который уже знали: он активно работает в развивающейся нервной системе) и попытались восстановить его эволюционную историю. Для этого они сопоставили активность гена в организмах дрозофил разных видов, родословная которых была достаточно хорошо прослежена ранее: и эта работа показала, что примерно 400 тыс. лет назад этот ген, не претерпев никаких изменений сам по себе, начал по-другому проявлять свою активность в ходе эмбрионального развития насекомых!
Изменения в ДНК затронули не Nep-1, а небольшой участок, называемый молекулярными биологами энхансером (дословно - "увеличитель"). Энхансеры являют собой фрагменты ДНК, к которым "прилипают" белки, способные в свою очередь менять уровень активности соседних генов, увеличивая число синтезируемых на их матрице молекул РНК или белка. Возвращаясь к "игрушечной" метафоре энхансер можно уподобить значку "х2" на фрагменте инструкции по сборке - "собрать эту совокупность деталей в двух экземплярах". Мутации в энхансере приводят к резкому увеличению активности гена, а это в свою очередь радикально меняет облик растущего организма. Или не облик, а какие-то биохимические закономерности, открывающиеся при более пристальном изучении, но от этого не менее драматичные.
Эволюция многоклеточных животных по современным представлениям - это не только и не столько появление новых генов, а процесс изменения активности уже существующих. В 1995 году, например, швейцарская группа биологов показала, что изменение активности гена Pax6 приводит к тому, что у дрозофил формируются дополнительные глаза в самых неожиданных местах вроде ног или антенн, а подавление активности Pax6, напротив, вызывает врожденную слепоту не только у мушек, но и мышей. В новой работе, посвященной гену Nep-1, ученые не получали странного вида мутантов, но смогли показать, что малые изменения в энхансере привели у одного из видов дрозофил к активности гена в ранее нетипичном для этого гена месте: не столь эффектно, как лишние глаза, но не менее убедительно с научной точки зрения.
Вопросы и ответы:
- Хорошо, пусть энхансеры способны резко менять уровень активности генов. Но при чем тут новые органы?
- Радикальное изменение активности генов означает, например, резкое увеличение длины кости. Появление еще одного слоя клеток. Еще какие-нибудь изменения, которые позволяют формироваться чему-то новому и на первый взгляд неожиданному (лишняя пара глаз; у пауков восемь глаз, так что это не выдуманный пример). Хотя никто и не утверждает, будто ученым известны все механизмы.
- А что будет, если поменять активность генов в живом и уже сформированном организме? Это возможно?
- Не только возможно, но и постоянно происходит. Даже простое столкновение с чем-то новым включает в части нейронов головного мозга некоторые гены, работа которых необходима для формирования памяти. Действие гормонов на клетку связано с изменением активности генов, в клетках кожи под действием ультрафиолета запускаются процессы, приводящие к активации нужных для производства меланина генов, и так далее. В патологических случаях сбои в регуляции экспрессии (правильный термин, используемый биологами) ведет и к болезням.
- То есть все есть результат изменения активности генов?
- Не все, но очень многое. Лишний раз подчеркнем, в работе ученых, о которой шла речь выше, причиной всех изменений оказалась все-таки мутация. Просто она затронула не сам ген (в школьном курсе биологии говорится, что мутации затрагивают сами гены и это движет эволюцию), а соседний участок.