Создание организма: инструкция по применению
На стартовом этапе нашей жизни все мы представляем из себя примерно одно и то же – клетку, которая затем начинает делиться. Идет время, она превращается в эмбрион – и вот тут встает вопрос: как этому крохотному существу известно, в каком месте нужно формировать, например, конечности, а в каком – голову? Научный сотрудник лаборатории генетики развития Института цитологии и генетики СО РАН кандидат биологических наук Нариман Баттулин говорит, что на этот случай есть практически универсальная инструкция.
«Принципы, управляющие развитием, очень сходны между всеми животными. Всё начинается с зиготы, и она содержит всю необходимую информацию, всю ДНК, которая имеется у нас в организме и необходима для процесса», — объясняет ученый в ходе лекции на научном кафе «Эврика!». По его словам, чертежей, как сделать человека или иное существо, конечно, там нет, однако, пошаговый мануал есть.
«Клетка, начиная развиваться, действует так же, как водитель, который пытается двигаться по GPS-навигатору, — проводит аналогию Нариман Баттулин. — Она может ориентироваться в формирующемся организме, получая сигналы. Их совсем немного, скорее всего, это какие-то химические соединения». Как оно работает? Если клетка ощущает, что в том или ином месте мало, к примеру, витамина А, значит, находится где-то в середине существа. Кроме того, она может знать, есть у нее соседи или нет.
Ученый приводит в пример яйцо мушки-дрозофилы, одного из любимейших материалов генетиков. Там на переднем полюсе концентрируется одно из веществ — бикоид, и на передне-задней оси формируются некие соединения, которые называются градиенты.
«Соответственно, клетки, оказавшиеся на каком-либо градиенте, могут чувствовать его и знать: раз я нахожусь в том месте, где, к примеру, бикоида много, значит, я в самом начале – и из меня должна получиться голова», — рассказывает Нариман Баттулин.
Вообще, по его словам, вся программа развития, которая записана в ДНК, выглядит как набор простых и коротких правил. Их можно записать примерно так: если концентрация вещества А равна величине Х, значит, нужно активировать ген В. Таким образом идет работа по созданию сетки координат, размечающей эмбрион на определенные точки. А клетки, оказываясь в них, понимают, как нужно развиваться дальше. Наш далекий общий предок состоял из сегментов – и у нас тоже они есть, идущие вдоль всего тела. Пример — позвоночник, состоящий из схожих, но неодинаковых элементов. Есть гены которые отвечают, например, за развитие шейных или грудных отделов – они называются HOX-гены. У дрозофил один их кластер, а у нас целых четыре. Тем не менее, они управляют нашим развитием абсолютно так же.
В качестве примера формирования организма в соответствии с сегментами Нариман Баттулин приводит змею. «Поставим себя на место бога – как сделать ее из ящерицы? Каков рецепт приготовления? Что из себя представляет это существо? Много ребер, спереди голова, а сзади – маленький хвост. Получается, чтобы ее создать, надо всего лишь продлить экспрессию тех генов, которые отвечают за развитие грудных отделов, и вместо ног у нее будут одни сплошные ребра», — объясняет ученый.
Однако не все мы, как совершенно справедливо отмечает специалист, являемся одними только позвоночниками, у некоторых есть еще и конечности. Они получаются следующим образом: уже имеется эмбрион, который размечен вдоль передне-задней оси, и наличествуют специальные гены, запускающие развитие в определенных местах рук и ног (или лап). «Ген, который в этом случае определяет нужные точки, называется забавно — Sonic the Hedgehog. По крайней мере, у позвоночных. У дрозофил — просто hedgehog. Почему? Его мутация приводит к тому, что по всему эмбриону возникают щетинки, что похоже на ежика. Но когда он был обнаружен и у млекопитающих, нужно было придумать отличающееся название. Решили, что hedgehog — как-то несолидно, мы же все-таки позвоночные, — улыбается Нариман Баттулин, — и тот аспирант, который нашел ген, вспомнил, что когда-то играл в одноименную игру на приставке».
Что касается других органов, то и их формирование определяется экспрессией тех или иных генов. «Выяснилось: контроль за образование глаз регулируется в основном всего лишь одним. Он запускает программу развития, которая приводит к тому, что в нужном месте возникает соответствующая часть тела. Провели эксперимент: взяли этот ген у мыши и поместили к дрозофиле. Вопрос – какой глаз вырастет, мУшиный или мЫшиный? Оказалось: правильный, мУшиный. То есть, за счет этого идет лишь формирование органа, а каким он будет, отвечают уже остальные гены», — говорит ученый. По его словам, подобных мастер-регуляторов много.
Тот, что определяет развитие сердца, кстати, называется несколько иронично: Tinman – Железный Дровосек, ведь именно этот персонаж страдал по причине отсутствия соответствующей части тела.
Если подытоживать рассказанное Нариманом Баттулиным, то мы все начинаемся с деления, вследствие которого получается много клеток, создающих неоформленную массу. Затем в ней возникают неоднородности, градиенты: они размечают оси будущего эмбриона. Далее включаются все новые и новые гены, наносящие сетку координат. Ну, а потом в нужных местах происходит экспрессия тех, что отвечают за формирование отдельных органов и тканей. «В процессе эволюции регуляторы развития остались практически одинаковыми у всех, несмотря на разнообразие форм. Гены, которые делают и меня, и осьминога, работают по одной схеме», — резюмирует ученый.
>
> Екатерина Пустолякова
Фото: анонс, 1 — Е. Пустолякова, 2 — medlabnews.ru, 3 — darudar.org