У фантастичному трилері "Анігіляція" (2018) з Наталі Портман у головній ролі герої потрапляють у зону падіння метеорита, де зустрічаються з істотами з неймовірними мутаціями: у крокодила ростують зуби рядами, наче в акули, а рослини, виростаючи, набувають людських форм. Виявилося, що в зоні існує аномалія під назволю "миготіння", яка діє як призма для ДНК, змішуючи геноми різних істот. Хоча режисер Алекс Ґарленд дозволив собі широку вільність, в основі фільму лежить реальний науковий концепт під назвою Hox-гени. Чому людина має форму людини, миша миші, а дрозофіла дрозофіли? Чому рука росте на місці руки, а голова голови? За все це відповідають ці гени. Проте їх робота може бути порушена або навмисно змінена — і тоді реальністю можуть стати фантастичні речі, показані в "Анігіляції".
Кадр із фільму
Кожен організм має унікальну будову. Хоча спеціалізовані органи тіла, такі як рука чи нога, можуть бути утворені подібно (вони обидві утворені з кісток та м’язів), їхні форми та деталі відрізняються. Під час росту ембріона руки і ноги розвиваються по-різному завдяки дії гомеотичних генів, які визначають, які структури повинні появитися в різних сегментах тіла.
Як вчені вікрили Нох-гени, які відповідають за будову тіла?
Вчені відкрили гомеотичні гени, вивчаючи дивні мутації у мушок-дрозофіл, в яких ноги могли рости в районі рота, була додаткова пара крил або балансуючих органів, що називають дзизкальцями, чи ж навіть ноги замість антен!
Науковці назвали ці мутації “гомеотичними трансформаціями”, адже виглядало на те, що одна частина тіла мушок виросла замість іншої. Дослідники, зокрема група на чолі з Едом Люїсом з Каліфорнійського технологічного інституту, виявили, що багато з цих трансформацій спричинені дефектами в однакових генах, які вони назвали гомеотичними, або Hox-генами.
Це дослідження продемонструвало, що клітини антен містять усю необхідну інформацію для того, щоб стати, наприклад, клітинами лап. Це загальний принцип: будь-яка клітина організму у своїй ДНК містить усю інформацію про весь організм.
Спільні характеристики
Мушки-дрозофіли починають життя як створіння, схожі на черв’яків, тобто сформовані з повторюваних одиниць, або сегментів. Нох-гени на початку розвитку ввімкнені в різних сегментах. Особливості активності Нох-генів відповідають за ідентифікацію кожного сегмента, визначаючи, де він має бути розташований і в які органи переродитись. Наприклад, гени, які активні в голові, спрямовують ріст рота та антен, а гени в грудній частині — ніг та крил.
Зміни в експресії Нох-генів визначають статус сегмента. Наприклад, в першого сегмента грудної клітини дрозофіли переважно виростають ноги, в другого — ноги та крила, а в третього — ноги та дзизкальця. Якщо в третьому сегменті активізуються ті самі Hox-гени, що й в другому, в обох сегментах виростають ноги та крила (на фото вище).
Вивчаючи послідовності ДНК в гомеотичних генах цих комах, вчені виявили, що всі вони мають однакову послідовність 180 пар основ. Цю послідовність вони назвали гомеобоксом. Гомеобокс — це повторювана частина кожного гена. Наприклад, якщо уявити, що слова — це гомеотичні гени, то великі букви — це гомеобокс: РАЗом — обРАЗ — наРАЗі — відРАЗа — дикобРАЗ.
На основі послідовностей ДНК вчені ідентифікували гени з гомеобоксом в інших видів, зокрема комах, черв’яків і навіть ссавців. Разом ці гени утворюють сім’ю Нох-генів (Hox скорочено від homeobox).
Цікаво те, що Нох-гени впорядковані кластерами. Зазвичай їхній порядок в хромосомі такий самий, як і порядок, в якому вони з’являються в тілі. Тобто гени зліва контролюють компонування в голові, а гени справа — в хвості.
Гени містять вказівки на еволюційні зв'язки
Майже кожна тварина, чий геном протестували, мала у своїй ДНК гомеобокс-послідовність, що вказує на те, що ці гени з’явилися дуже рано в родинному дереві тварин. Генетичні послідовності, які використовуються протягом еволюційного періоду, особливо важливі для базового розвитку навіть мало споріднених організмів. Присутність гомеотичних генів в геномах таких різних тварин, як медузи, комахи та ссавці, вказує на те, що ці гени відіграють ключову роль у багатьох (можливо, усіх) тварин.
Вчені вивчали послідовності ДНК у цих генах, їхні функції та організацію, щоб довідатися про еволюційні зв’язки. Нох-гени містять багато вказівок на еволюцію родинного дерева тварин.
Схожі ознаки усіх Hox-генів, зокрема спільна гомеобокс-послідовність, вказують на те, що вони походять від єдиного предківського гена, який дублювався багато разів. Після кожного дублювання гени поступово змінювалися, перебираючи різноманітні функції. Еволюційні біологи називають цей процес “дуплікацією і розходженням”.
Перша дуплікація відбулась дуже рано. Тварина, яка жила близько мільярда років тому — предок усіх сучасних тварин, — мала принаймні чотири Hox-гени. 600 мільйонів років тому жив предок усіх двобічно-симетричних тварин, у якого їх було уже сім. Нам це відомо, адже тварини, які походять від цього предка, мають гомологи цих генів.
У деяких гілок тваринного дерева відбулися додаткові дуплікаційні події. В комах, наприклад, дублювався ген із правого боку кластеру. У хребетних ж дублювався увесь Hox-кластер — тричі в ссавців і аж до восьми разів у деяких типів риб. Дубльовані гени згодом почали виконувати нові функції, що часто призводило до складнішої будови тіла.
Спільною для Hox-генів є не лише послідовність ДНК, а й навіть окремі функції. Нох-гени миші можуть замінити їхні гомологи в мухи. І якщо їх активувати в інших сегментах, то гени миші можуть зумовити гомеотичні трансформації в мухи.
Як білки регулюють інші гени?
Нох-гени кодують білки, які прикріплюються до молекулярних вимикачів в ДНК, що активують і деактивують інші гени. Ділянка Нох-білка, що прикріплюється до ДНК, називається гомеодоменом. Гомеодомен кодує гомеобокс. Гомеодомени різних Нох-білків подібні, але не ідентичні, тож вони прикріплюються до різних послідовностей ДНК. Таким чином, різні Нох-білки регулюють різні набори генів, а їхні комбінації ще інші.
Як регулятори інших генів, Hox-білки є дуже потужними. Один і той самий Нох-білок може регулювати активність багатьох генів. Під час ембріонального розвитку набори генів працюють разом, щоб виконувалися програми формування, наприклад ноги чи антени. Це приблизно нагадує те, як свої завдання виконують комп’ютерні програми.
Гомеотичні гени і еволюційні зміни
В основі великої частини біорізноманіття лежать дві прості ідеї: повторюваних частин (або сегментів) та генетичних програм для формування із них структур.
Лише серед членистоногих варіації цих тем породили неймовірну різноманітність тіл. І, власне, в багатьох випадках сфери активності Нох-генів паралельно супроводжують різні типи структур, які виростають з сегментів тіла тварини.
Кольоровими смугами підкреслені сегменти тіл, які мають схожі ідентичності. Про кожен колір можна подумати як про різну активовану генетичну програму — наприклад, для ноги чи антени. Тією мірою, як існує програма для формування певної структури, її можна запускати будь-де шляхом самого лиш перемикання експресії Нох-генів. Легко побачити, як додавання кількох сегментів з запущеною програмою для “ноги” може утворити організм з додатковими парами ніг.
Генетичні програми також можуть видозмінюватися (через зміни в окремих генах), формуючи схожі структури. Наприклад, програма для “крила” не утворилася з нуля. Це лише видозмінена програма для “ноги”.
Генетичні зміни, які провадять до змін у формі тіла, можуть надавати організму еволюційну перевагу — наприклад, дозволити йому ефективніше добувати їжу або уникати хижаків. Це, своєю чергою, веде до репродуктивної переваги й передачі цих змін наступним поколіннями, впливаючи на хід еволюції.
Нох-гени в хребетних
У хребетних тварин увесь Нох-кластер дублювався багато разів. Миші та інші ссавці мають чотири Нох-кластери. Усі вони схожі, але кожен має свої специфічні властивості. Однакові гени в різних кластерах називають паралогами.
Функції багатьох паралогів частково перетинаються, тож визначити, як Hox-гени працюють у хребетних, для вчених було непростим викликом. Наслідки від зміни одного гена часто приховує робота генів в однакових паралогових групах, але зміна функцій багатьох генів в групах може мати драматичні ефекти.
На фото, яке надала дослідницька група Маріо Капеччі з Університету Юти, видно передні лапи миші. Якщо деактивувати один або інший паралог, то ефект майже непомітний (середні два знімки). Але якщо деактивувати обидва, то це зумовлює драматичні зміни в кінцівці (праворуч). Цей та інші експерименти показали, що Нох-гени в мишей працюють здебільшого так само, як в плодової мушки.
Нох-гени керують ідентифікацією хребців
У той час, як у мишей та інших хребетних тварин сегментація тіла не є такою очевидною, як у членистоногих, їхні тіла, власне, також поділяється на сегменти. Хребет разом з усіма пов’язаними з ним м’язами та кістками росте з повторюваних частин в ембріоні, які називають сомітами. Нох-гени (часто в комбінаціях) дозволяють визначити ідентичність сомітів і керують їхнім розвитком залежно від того, де вони мають розташовуватись в тілі.
Так само, як Нох-гени членистоногих спрямовують розвиток різних сегментів, з яких виростають ноги, крила чи антени, Нох-гени хребетних скеровують сегменти, щоб з них виростали (чи ні) ребра або кістки, які разом утворюють крижову кістку.
Експерименти на мишах показали, як Hox-гени впливають на ріст хребців. В ембріоні миші Нох-10-гени вимикають програму ребер. Ці гени зазвичай неактивні в нижній частині хребта, де немає ребер, і активні в середній, де ростуть ребра. Коли паралоги Нох-10 експериментально деактивували, хребці в нижній частині хребта почали відрощувати ребра. Щось подібне може відбуватися й в природі. Наприклад, в змій Нох-10-гени втратили здатність блокувати ріст ребер. Тому ребра в них ростуть по всій довжині тіла від голови до хвоста.
Hox-гени відіграють багато інших функцій в розвитку хребетних. В людини вони можуть визначати, наприклад, різницю між мізинцем і великим пальцем. В нервовій системі їхня експресія в сегментованих ембріонних структурах, які називаються ромбомерами, керує розвитком різних частин мозку.
Hox-гени — це неймовірний приклад того, як один надзвичайно успішний ген був скопійований і перепрофільований під час еволюції, щоб виконувати набагато більше функцій.
Homeotic Genes and Body Patterns
Learn Genetics, Genetic Science Learning Center
Зреферував Є. Л.
22.11.2018