Все новости

big.jpg

Алексей Алексенко

Как вы стали позвоночными

Редакционный материал

Молекулярные биологи прояснили один немаловажный момент нашей с вами эволюционной истории

22 января 2018 13:10

Каким образом из одной клетки вырастает целый организм, со всеми его тканями, органами, нервами, глазками, лапками, усиками? С тридцатью двумя зубами, наконец?! Неужели «оно», чем бы оно ни было, умеет считать до 32, и как оно это делает?

На эти вопросы отвечает — или, по крайней мере, пытается — сравнительно молодая ветвь биологии по имени «эволюция развития», или сокращенно evo-devo. В истекшем месяце эта ветвь принесла новый плод — работу группы биологов из Неаполя и Барселоны, разобравших по винтикам один из важнейших этапов сборки многоклеточных животных вообще — и нас, позвоночных, в частности. Но история эта непростая, и начать придется издалека.

Мы тут недавно упоминали, что генов у человека всего-то тысяч двадцать, а когда-то думали, что целый миллион. Ошибка простительная: если гены считать чем-то вроде команд компьютерной программы, то меньше чем за миллион шагов такую махину, как человек, не построить. Оказалось, что природа очень экономна, даже и не ждешь такого от системы, возникшей путем случайных проб, ошибок и отбора. Один из способов сэкономить гены называется «альтернативный сплайсинг».

Дело было так: давным-давно наших одноклеточных предков атаковали паразиты, вроде нынешнего вируса герпеса. Они встраивались в его геном где попало, чем ужасно портили гены. Но предок выкрутился: он как ни в чем не бывало считывал со своих генов РНК, но перед тем, как отправить эту РНК на белковую фабрику, аккуратно вырезал из нее всю паразитическую дрянь, а оставшиеся важные части — так называемые «экзоны» — сшивал между собой. Это и есть сплайсинг. И вот тут вступает в дело метод проб и ошибок: раз уж мы завели себе такой прекрасный гаджет, почему бы не использовать его для более глобальных целей, чем борьба с паразитом? С его помощью, например, можно перекраивать разными способами продукт одного гена, чтобы из него получилось несколько разных белков. Если мы возьмем из гена, к примеру, только экзоны номер один, три и пять — получится вот такой белок, а если оставить экзоны номер два и четыре — совсем другой. Такой сплайсинг называют «альтернативным», и он открывает огромные возможности.

Природа воспользовалась этим фокусом так охотно, что последствия мы расхлебываем до сих пор. Об этом как раз повествует работа Хорди Гарсия-Фернандеса, Мануэля Иримьи и их коллег. В этой работе, подписанной 22 авторами, есть и компьютерный анализ геномных данных, и генные манипуляции с аквариумными рыбками, и микроскопия, всего и не расскажешь. Так что сразу опишем картину, которая вырисовалась из тумана, когда все опыты остались позади.

Ключевую роль в этой истории играет ген ESRP. Именно он, как оказалось, распоряжается у всех животных программами альтернативного сплайсинга — указывает, в какой клетке какие экзоны пустить в дело, а какие выбросить. Программы эти у всех разные — и неудивительно, поскольку морской еж не похож на зайца, а автор этих строк, к своему глубокому огорчению, ничем не напоминает рыбку гуппи. Однако внимательное сравнение этих программ позволило биологам найти в них общее — и это «общее», видимо, было главным назначением ESPR у общего предка вторичноротых (это, кстати, как раз мы с вами и есть). Речь идет о важном событии в жизни каждого зародыша — «мезенхимально-эпителиальном переходе». Видите ли, у зародыша есть мезенхима — некоторый запас клеток, который еще и тканью-то назвать нельзя; зато он служит сырьем для образования многих тканей тела. И вот когда свободно гуляющая клетка мезенхимы прикрепляется к постоянному месту жительства, система ESPR делает это решение необратимым. Теперь продукты генов повзрослевшей клетки будут перекраиваться сплайсингом совсем по-другому, и из них получатся совсем другие белки.

По словам одного из руководителей исследования Мануэля Иримьи, это процесс, противоположный метастазированию злокачественной опухоли. Когда жизнь организма подходит к концу, злокачественная клетка может оторваться от растущей опухоли и отправиться гулять по телу, обращая все в хаос. А в самом начале жизни, наоборот, неопределившаяся клетка мезенхимы, перед которой были открыты все дороги, прикрепляется к месту и принимает решение о своей судьбе, придавая организму его окончательную форму.

Постепенно организмы усложнялись, а функции системы ESPR множились. Событие, особенно важное для нас с вами, произошло около 700 млн лет назад. Случилось это в «гене рецептора фактора роста фибробластов» (это название лучше произносить скороговоркой, не вдумываясь, или даже сокращать до FGFR, иначе точно запутаетесь). А именно: небольшой кусок внутри гена удвоился, такое нередко бывает с генами. Лишний кусочек внутри гена — не трагедия для существ, которые к тому времени уже отлично умели вырезать из своих генов все ненужное. Они просто вырезали первый из удвоенных кусочков (IIIb), а второй (IIIc) оставляли.

Но тут — а происходит это, заметьте, у общего предка хордовых — неразбериху в гене FGFR вдруг замечает система ESPR. А заметив, начинает проделывать с ним то единственное, что умеет: в момент мезенхимально-эпителиального перехода переключает сплайсинг так, чтобы вместо кусочка IIIc в белке оказывался кусочек IIIb. В результате рецепторы факторов роста у мезенхимы и у «взрослых» клеток оказываются совершенно разными: первые чувствительны к сигналам, выделяемым клетками эпителия, а вторые, напротив, остро реагируют на жалобный химический писк клеток мезенхимы. Эта клеточная перекличка, как оказалось, стала важнейшим событием в формировании органов нашего тела, особенно передней и важнейшей его половины. Об этом можно судить хотя бы по тому, как скверно выглядят зародыши, у которых этот механизм нарушен (если, конечно, отсутствие легких, внутреннего уха и губ позволяет этому объекту вообще называться зародышем).

Для читателя, нешуточно повернутого на биологии (а другие до этого места и не дочитали), сообщим еще кое-что: по мнению авторов, все эти события произошли до «кембрийского взрыва», в так называемой «горячей точке билатеральности» — в тот исторический момент, когда вдруг волшебным образом на морском дне закопошились первые двусторонне-симметричные животные. Приключения экзонов IIIb и IIIc — особенность именно нашей истории, а в других ветвях древа жизни в гене FGFR произошли другие события. Но все они так или иначе поставили его под контроль системы альтернативного сплайсинга, чем и определили нашу блистательную эволюционную судьбу.

Под «нашей» мы здесь понимаем, собственно, судьбу вторичноротых. Именно эта ветвь дала миру существ, способных, среди прочих достижений, дочитать до конца эту заметку, не запутавшись и не заскучав. Я уверен, что такие вторичноротые присутствуют и в нашей читательской аудитории: низкий им поклон от автора.

Эта заметка была впервые опубликована в еженедельнике «Окна», литературном приложении к израильской русскоязычной газете «Вести».

Лого Телеграма Читайте лучшие тексты проекта «Сноб» в Телеграме Мы отобрали для вас самое интересное. Присоединяйтесь!
4 комментария
Сергей Кравчук

Сергей Кравчук

Просто наличием тех или иных генов не объяснить образование в разных местах зародыша разных органов и систем. Тут важна пространственная конфигурация ДНК, которая может меняеться в клетке.

Алексей Алексенко

Алексей Алексенко

Сергей Кравчукда?! Вот-те номер!
Сергей Кравчук

Сергей Кравчук

Да

Хотите это обсудить?
Войти Зарегистрироваться

Читайте также

Две недавние научные работы еще раз убеждают нас, что быть венцом творения — ни с чем не сравнимая честь
В 2017 году физики опять не нашли темную материю, и у многих из них лопнуло терпение. Эта заметка призвана объяснить широкой публике, почему они из-за этого так нервничают
О том, как жилось нашим предкам 600 миллионов лет назад, повествуют две недавние научные работы