Читать книгу "Геном. Автобиография вида в 23 главах"

У людей часто бытуют упрощенно-карикатурные представления о наследственности и биохимии. Следует отметить, что врожденное низкое содержание серотонина в мозгу не делает из человека преступника. Биохимия так же довлеет над сознанием, как и сознание над биохимией. Подобный пример мы уже рассматривали в предыдущей главе в случае с кортизолом. Настроение, мысли, индивидуальность и поведение находятся под контролем как внутренней биохимии, так и социальных отношений. События в окружающем мире могут напрямую влиять на биохимию за счет регулирования экспрессии отдельных генов.

С другой стороны, нет сомнений в том, что все типажи характера, такие как флегматик или холерик, являются врожденными. В связи с тем что нейромедиаторы работают неодинаково, люди по-разному реагируют на одни и те же социальные события. Известны гены, мутации в которых влияют на скорость синтеза серотонина, на чувствительность рецепторов серотонина, на различия в чувствительности к серотонину у нейронов в разных областях головного мозга. Депрессия зимой может наступать из-за того, что у человека слишком чувствительна система регуляции синтеза мелатонина, и это сразу же сказывается на содержании серотонина в мозгу. Таких примеров прямого и побочного влияния можно привести еще очень много. Известна одна датская семья, в которой мужчины в трех поколениях были преступниками. Вы уже, конечно, догадались, что тут же был выделен зловредный ген. У всех членов семьи была обнаружена мутация на хромосоме X. Измененный ген отвечает за синтез моноаминоксидазы А. Моноаминоксидаза участвует в метаболизме серотонина, разделяя его на составляющие компоненты. Не исключено, что изменение данного белка вело членов этой семьи на путь преступлений, хотя объявление гена моноаминоксидазы геном «преступлений», наверное, будет слишком примитивным. Мутации в этом гене происходят крайне редко и не обнаружены у других осужденных за преступления, поэтому пока сложно сказать, какую роль измененная моноаминоксидаза играет в становлении характера.

Данный факт еще раз показывает, какое место в развитии нашей индивидуальности занимают врожденные изменения в биохимии мозга. Но влияние серотонина на поведение уравновешивается влиянием социума и событий окружающего мира на содержание серотонина в мозгу. Некоторые люди более чувствительны к тому, что происходит вокруг них, чем другие. Такова сложная природа отношений между генами и людьми, где все элементы системы оказывают равное влияние друг на друга. Нет и не может быть детерминизма ни со стороны генов, ни со стороны социума. В ходе эволюции гены развивались таким образом, чтобы не только управлять поведением, но и быть чувствительными к сигналам из внешней среды.

Хромосома 12
Индивидуальное развитие

Многое в нашей жизни является аналогом того, что уже есть в природе. Летучие мыши используют сонары, сердце работает, как насос, глаз аналогичен фотокамере, естественный отбор соответствует методу проб и ошибок, ген – это рецепт приготовления белка, мозг состоит из проводников (аксонов) и переключателей (синапсов), гуморальная система работает по принципу обратной связи, иммунная система действует, как контрразведка, а развитие организма напоминает развитие экономики страны. Есть еще множество примеров удивительного сходства и совпадений. Хотя некоторые аналогии довольно схематичны, они помогают нам легче понять приемы и технологии, с помощью которых мать Природа решает свои многочисленные проблемы. Многие технические решения мы нашли самостоятельно, и лишь после этого стало понятно, как работает природа.

Но сейчас нам придется покинуть область простых и привычных аналогий и направиться в неизведанные земли. Одно из самых замечательных, прекрасных и загадочных явлений природы, которое происходит без видимых усилий, и чему совершенно нет аналогий в техническом мире человека, – это развитие организма из микроскопического комочка живой материи – оплодотворенной яйцеклетки. Попробуйте представить себе компьютер, или хотя бы компьютерную программу, способную на такое превращение. Даже если Пентагон сконцентрирует все свои финансы и соберет тысячи лучших умов в пустыне Нью-Мексико, вряд

ли им удастся изобрести бомбу, которая самостоятельно собиралась бы из груды металла и кучи взрывчатки, хотя кролики в этой же пустыне каждый день успешно справляются с подобной задачей.

Никакие другие аналогии не позволяют нам понять, как природе удалось совершить этот подвиг. Где находится тот прораб, который руководит развитием яйцеклетки, и где хранится план развития? Если отложить пока версию о Деснице Господней, то становится очевидным, что план находится внутри яйцеклетки. Кажется непостижимым, что сложно организованный организм может получиться из неорганизованной протоплазмы. Не удивительно, что несколько столетий назад большой популярностью пользовались теории преформации. Благодаря богатому воображению исследователям удавалось увидеть внутри сперматозоида маленького гомункулуса. Теория преформаций, как отметил еще Аристотель, просто отодвигает проблему вглубь, поскольку не объясняет, каким образом в сперматозоиде смог появиться сложно организованный гомункулус. Более поздние теории были не лучше, хотя наш старый знакомый, Уильям Батесон, неожиданно близко подошел к ответу. Он предположил, что развитием организма управляет упорядоченная серия частиц или сегментов внутри яйцеклетки. Для процесса развития он предложил термин гомеозис. В 70-х годах прошлого столетия за дело взялись математики и предложили многочисленные формулы, теорию стоячей волны и прочие сложности. Математики ошибались. Природа нашла гораздо более простое решение, хотя точность и высокая надежность процесса развития организма поражает воображение. И тут не обошлось без генов – именно они выступают в роли прорабов и хранителей плана, записанного в цифровом формате. Большая группа генов, управляющих развитием, лежит посередине хромосомы 12. Обнаружение этих генов и открытие принципа их работы – это, пожалуй, один из наиболее крупных интеллектуальных призов, завоеванных современной генетикой, после того как был взломан код ДНК (Baterson W. 1894. Materials for the study of variation. Macmillan, London).

Яйцеклетка кажется неорганизованным сгустком протоплазмы. Но вот происходит серия делений клетки, и возникают две оси симметрии, проходящие от передней части эмбриона к задней и от спины к животу. У дрозофил и лягушек инструкции эмбриону идут от материнских клеток, которые указывают, где у эмбриона должна быть голова, а где зад. У мышей и у человека асимметричность в развитии возникает позже, и никто точно не знает каким образом. Вероятно, критическим моментом является прикрепление сгустка клеток к стенке матки.

У дрозофил и лягушек асимметричное развитие происходит под управлением градиентов различных веществ, синтезируемых материнскими клетками. Нет сомнений, что у млекопитающих развитие эмбриона также контролируется химическими градиентами. Каждая клетка эмбриона анализирует химический состав жидкости вокруг себя, посылает информацию в свой навигационный мини-компьютер и получает ответ: «я нахожусь в нижней части организма ближе к животу». Всегда полезно знать, где ты находишься.

Но знание местоположения – это только начало. Другой вопрос, что следует делать в той точке организма, где клетка обнаружила свое присутствие. За это отвечает ряд гомеозисных генов. По сигналам из внешней среды эти гены включают программу развития исходной клетки в клетку крыла или почки. Безусловно, внутри клетки нет никаких планов и инструкций, просто включение рецептором одного гена влечет за собой серию включений других генов, а те запускают следующие гены и так далее шаг за шагом. Человеку проще понять развитие по плану или инструкциям, чем представить себе длинный и сложный путь от яйцеклетки к организму как децентрализованный самоуправляемый процесс, которым он и является. Поскольку каждая клетка организма содержит в себе весь геном, нет необходимости ждать команд от кого-либо еще. В каждой клетке достаточно информации для самостоятельного развития. Важно только правильно определить свои координаты в организме. Нам трудно представить такой путь самоорганизации, поскольку мы привыкли, что в нашем обществе все решения принимает правительство. Может, это нам стоит попробовать жить по-иному (Tautz D., Schmid К. J. 1998. From genes to individuals: developmental genes and the generation of the phenotype. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series В 353: 231–240).

Благодаря большой скорости размножения и нетребовательности мушки дрозофилы стали излюбленным объектом исследований для генетиков еще в начале прошлого века. Огромной стае плодовых мушек мы должны быть благодарны за открытие базовых принципов генетики. Именно на дрозофилах было показано, что хромосомы содержат в себе единицы наследственности – гены, и именно на плодовых мушках Мюллер открыл явление мутагенеза, вызванного рентгеновским облучением. Среди мутантных мушек, полученных таким путем, ученые стали обнаруживать экземпляры с нарушениями в развитии организма: с лапками вместо усиков или дополнительной парой крыльев вместо жужжалец. Эти изменения указывали, что что-то неладно с гомеозисными генами.

В конце 1970-х годов два немецких исследователя, Яни Нюссляйн-Фолхард (Jani Nusslein-Volhard) и Эрик Вишаус (Eric Wieschaus), решили описать и изучить все известные мутации развития у дрозофил. Они добавляли в питательную среду для мух мутагенные вещества и отбирали экземпляры, у которых лапки, крылья и другие части тела были не на месте. Постепенно стала вырисовываться целостная картина из генов разного масштаба. Стало ясно, что в геноме у дрозофилы есть «стратегические» гены, контролирующие развитие основных частей тела: головы, груди и брюшка. Другие «тактические» гены определяют развитие лапок, усиков и крыльев на основных частях тела. И, наконец, «локальные» гены контролируют отдельные сегменты или области на туловище и конечностях мухи. Другими словами, гомеозисные гены дрозофилы разделены на артели и бригады со своими прорабами и руководителями, между которыми весь организм мухи поделен на зоны ответственности (Nusslein-Volhard J., Wieschaus E. 1980. Mutations affecting segment number and polarity in Drosophila. Nature 287: 795–801).

Открытие было совершенно неожиданным. Раньше считалось, что каждая часть тела развивается самостоятельно в соответствии с сигналами от соседних органов. Идея о том, что для каждой части тела существует свой генетический план развития, казалась странной и неправдоподобной. Но еще больше сюрпризов принесло открытие и расшифровка самих этих генов. Данное открытие признано одним из наиболее ярких достижений науки в XX столетии. Ученые обнаружили кластер из восьми гомеозисных генов, собранных вместе на одной хромосоме. В научных статьях их называют Нох- генами. Но особенно удивительным было то, что каждый из генов контролирует развитие определенного сегмента тела дрозофилы, причем на хромосоме эти гены лежат в том порядке, в каком следуют друг за другом сегменты тела. Первый ген контролирует развитие рта, второй – лицевой части головы, третий – задней части головы, четвертый – шейного сегмента, пятый – груди, шестой – передней половины брюшка, седьмой – задней половины брюшка и восьмой – отдельных частей на брюшке. Не только гены, но их последовательность на хромосоме оказались не терпящими изменений.

Чтобы оценить всю неожиданность этого открытия, вам следует знать, насколько безразлично организм относится к размещению других генов на хромосомах. В этой книге я целенаправленно подбирал гены на хромосомах, чтобы ввести их в логическую канву книги. Но в предисловии я предупредил вас, чтобы вы не попались на эту удочку, – в распределении генов по хромосомам нет и не может быть никакой логики. Иногда организму бывает полезно, чтобы один ген находился рядом с другим, но эти союзы крайне непостоянны. Что касается гомеозисных генов, то это, пожалуй, единственный случай, когда очередность генов на хромосоме имеет смысл.

На очереди уже стоял следующий сюрприз. В 1983 году группа ученых из лаборатории Уолтера Геринга (Walter Gehring) в Базеле обнаружила, что все гомеозисные гены содержат внутри одинаковую последовательность из 180 нуклеотидов. Ее назвали гомеоблоком. Сначала это показалось странным: если все гены одинаковы, то почему один дает команду на развитие лапок, а другой – на развитие усиков? Но, видимо, эти команды зашифрованы в остальной части генов. У всех электроприборов есть вилка для включения в сеть. Невозможно отличить тостер от лампы, если смотреть только на вилку электропитания. Аналогия между гомеоблоком и вилкой включения в сеть оказалась очень близкой. Гомеоблоку соответствует фрагмент белка, с помощью которого этот белок может прикрепляться к молекуле ДНК и включать или выключать другие гены. Все гомеозисные гены оказались прописями регуляторных белков, роль которых состоит в управлении другими генами.

Ученые использовали стабильную структуру гомеоблоков для поиска гомеозисных генов в других геномах точно так же, как старьевщик роется на свалке в поисках приборов с вилками электропитания. Коллега Геринга Эдди де Робертис (Eddie de Robertis), действуя, скорее, интуитивно, обнаружил среди генов лягушки такие, в которых содержалась последовательность нуклеотидов, напоминающая гомеоблок. Затем ученый перешел к генам мыши. И здесь нашлись гены практически с таким же участком ДНК из 180 «букв». Точно так же, как и у дрозофилы, в геноме мыши эти гены были объединены в кластеры (отличие состояло в том, что было обнаружено четыре кластера гомеозисных генов) и, более того, в кластере гены были организованы в том же порядке: спереди – «ген головы», сзади – «ген хвоста».

Обнаруженная гомология между мышью и мушкой дрозофилой была довольно неожиданной, поскольку означала, что для правильного развития эмбрионов всех организмов важно не только наличие нужных генов, но и их правильная очередность на хромосоме. Но еще больше поразило то, что гомеозисные гены мухи и мыши были сходными. Так, первый ген в кластере у дрозофилы, названный lab, в точности походил на первые гены трех кластеров в геноме мыши: ai, bi и di, – и все последующие гены в кластере соответствовали своим аналогам в обоих геномах (McGinnis et al. 1984. A homologous protein coding sequence in Drosophila homeotic genes and its conservation in other metazoans. Cell 37: 403–408; Scott M., Weiner A. J. 1984. Structural relationships among genes that control development: sequence homology between the Antennapedia, Ultrabithorax, and fushi tarazu loci of Drosophila. Proceedings of the National Academy of Science of the USA 81: 4115–4119).

Есть, конечно, и отличия. В геноме мыши 39 Hox-генов, организованных в четыре кластера, и в конце каждого кластера есть по пять дополнительных генов, которых нет у дрозофилы. Кластеры также отличаются между собой. Некоторые гены представлены в одних кластерах и пропущены в других. Но сходство гомеозисных генов мухи и мыши все же будоражит воображение. Это было настолько неожиданное открытие, что многие эмбриологи даже не восприняли его всерьез. Было очень много скептицизма и разговоров о том, что открытие является результатом сильного преувеличения случайных совпадений. Один ученый вспоминал, что когда впервые услышал об этом открытии, сразу же отбросил его как «очередную сумасбродную идею Геринга». Но очень скоро стало ясно, что Геринг не шутил. Джон Мэддокс (John Maddox), редактор журнала Nature («Природа» – самый рейтинговый и авторитетный международный биологический журнал – примеч. ред.), назвал это открытие самым важным за последние годы в генетике. Эмбриологи должны низко поклониться мушке дрозофиле. В геноме человека тоже есть Hox-кластеры. Их столько же, сколько и у мыши, и один из них – кластер С – лежит на хромосоме 12.

Из этого открытия следуют два основных вывода: один эволюционный, а другой прикладной. С точки зрения эволюции становится очевидной общность происхождения многоклеточных организмов от одного предка, в котором более 530 млн лет тому назад уже использовался точно такой механизм управления развитием эмбрионов. Данный механизм оказался настолько удачным, что он сохранился неизменным во всех ветвях эволюции, идущих от этого ствола. Все современные организмы, даже такие причудливые, как морские ежи, содержат в геномах одни и те же кластеры гомеозисных генов. Как бы ни отличались мы от мухи или морского ежа, наши эмбрионы развиваются по одному и тому же механизму. Невероятный консерватизм генов эмбриогенеза оказался полной неожиданностью абсолютно для всех. Прикладной аспект открытия состоял в том, что появилась уверенность в возможности использования знаний о генетике дрозофилы, накопленных в течение десятилетий, для объяснения и изучения работы генома человека. До сих пор ученые знают гораздо больше о генетике дрозофилы, чем человека, поскольку геном мухи гораздо компактнее. При этом всегда были сомнения по поводу того, применимы ли закономерности, выявленные на дрозофилах, к человеку. Теперь мы видим, что базовые генетические механизмы оказались более консервативными, чем это можно было предположить. Появилась возможность сквозь призму генома дрозофилы пролить свет на геном человека.

Поразительное сходство было обнаружено между другими генами, участвующими в управлении развитием эмбриона. Раньше считалось, что голова – это изобретение хордовых, у которых появились специальные гены, контролирующие развитие черепно-мозговой коробки на передней оконечности тела. Но теперь стало известно, что две пары генов мыши, контролирующих развитие мозга – Otx и Етх, – в точности соответствуют генам дрозофилы, которые так же контролируют развитие головы мухи. Ген дрозофилы, несправедливо названный геном безглазия, который управляет развитием глаз мухи, оказался идентичным соответствующему гену мыши, которому присвоили имя рах-6. Геномы мыши и человека настолько похожи, что все сказанное выше также применительно к человеку. Муха и человек – это всего лишь вариации проекта построения тела, который был разработан еще у нашего червеобразного общего предка, жившего в кембрийский период. У всех его предков одни и те же гены выполняют определенную работу. Конечно, есть различия, иначе нас нельзя было бы отличить от мух. Но разительные внешние отличия оказались результатом незначительных вариаций основного механизма.

Исключения оказались даже более убедительными, чем само правило. Например, у мухи есть два гена, которые управляют дифференциацией спинной (дорзальной) и брюшной (вентральной) частей тела. Один ген называют декапентаплегальным— т. е. экспрессия этого гена указывает клеткам, что они находятся в дорзальной части тела и им следует развиваться соответствующим образом. Другой ген называют коротким гаструлярным, и он оказывает на клетки противоположное влияние. У лягушек, мышей и, с высокой долей вероятности, у нас с вами, есть точно такие же гены. «Текст» одного гена – ВМР₄ — напоминает «текст» декапентаплегального гена дрозофилы, а другой ген – chordin— соответствует короткому гаструлярному гену. Но что удивительно, у мышиных генов направленность действия противоположная по сравнению с мушиными аналогами. Ген ВМР₄ управляет развитием вентральной части тела, а ген chordin — дорзальной. Это говорит о том, что артроподы и хордовые перевернуты с живота на спину по отношению друг к другу. Когда-то у них был общий предок, у которого уже был вентрально-дорзальный диморфизм тела. Одни из его потомков стали ползать на животе, а другие – на спине. Сейчас трудно ответить на вопрос, у кого «правильная» сторона тела. Видимо для нашего далекого предка было безразлично, на какой стороне ползать. Это потом у его потомков появились конечности с той стороны, где они были нужны. Задержимся немного на этом месте, и отдадим должное великому французскому исследователю Этьену Джеоффрею Сайт Хилэру (Etienne Geoffroy St Hilaire), который еще в 1822 году предположил данный феномен, исходя из своих наблюдений за развитием эмбрионов, а также по тому факту, что центральный нервный ствол у насекомых находится с брюшной стороны, а у хордовых – со спинной. В течение 175 лет эта гипотеза отвергалась. Ученые полагали, что нервные системы хордовых и насекомых просто возникли и развивались параллельно и независимо друг от друга. Но теперь стало ясно, что Хилэр был прав (Arendt D., Nubler-Jung К. 1994. Inversion of the dor-so-ventral axis? Nature 371: 26).

Сходство между генами развития оказалось настолько поразительным, что ученые смогли поставить эксперименты, которые раньше никто не мог даже вообразить. Оказалось возможным разрушить с помощью целенаправленного мутагенеза один из гомеозисных генов дрозофилы и вставить в яйцеклетку соответствующий ген человека. Из яйцеклетки развилась нормальная муха. Данный экспериментальный метод называется генетическим комплементированием. Нох – ген из генома человека оказался комплементарным гену мухи. Точно так же комплементарными оказались мышиные гены Otx и Етх. Чужие регуляторные гены работали настолько хорошо, что по внешнему виду невозможно было отличить, в каких мушках работали собственные гены и в каких – чужие (Sharman А. С., Brand М. 1998. Evolution and homology of the nervous system: cross-phylum rescues of otd/Otx genes. Trends in Genetics 14: 211–214).

Это был триумф гипотезы о цифровой природе генетического кода. Гены – это программные модули, которые можно запустить в любой системе, поскольку в них использован один и тот же программный код и они выполняют одну и ту же работу. Даже через 530 млн лет независимого развития наши «компьютеры» могут распознать и запустить «мушиные программы» и наоборот. Аналогия живого организма с компьютером оказалась довольно удачной. Время кембрийского эволюционного взрыва 540–520 млн лет тому назад было временем экспериментирования с дизайном многоклеточных организмов, точно так же, как 80-е годы прошлого столетия были временем экспериментирования с архитектурой компьютеров. В раннем кембрии, вероятно, возникли первые гомеозисные гены. Счастливые обладатели этих генов стали общими предками для хордовых, насекомых и многих других организмов, населяющих сейчас нашу планету. Нашими родоначальниками были округленные плоские черви (roundish flat worm— гипотетическое промежуточное звено между плоскими и более совершенными кольчатыми червями), копошившиеся в доисторической грязи кембрия. На тот момент, вероятно, они были лишь одной из многочисленных форм жизни, но их потомки унаследовали всю землю. Трудно сказать, были гомеозисные гены лучшим техническим решением или просто хорошо был поставлен маркетинг, и кто в кембрии выступал за Apple, а кто за Microsoft?

Давайте ближе познакомимся с одним из Hox-генов на хромосоме 12. Ген С₄ человека является аналогом гомеозисного гена dfdy дрозофилы, и у мухи он контролирует развитие ротовой части головы. «Текст» этого гена у человека подобен соответствующим генам в остальных трех Hox-кластерах: А₄, В₄ и D ₄, – а у мыши этим генам соответствуют свои гены в четырех кластерах: а₄, b₄, с₄ и d₄. У эмбрионов мыши эти гены работают в клетках, из которых затем развивается шейный отдел: шейные позвонки и нервная трубка спинного мозга внутри их. Если с помощью направленной мутации разрушить один из этих генов, то один или несколько шейных позвонков окажутся измененными. Изменения в позвонках довольно специфичны. Все шейные позвонки в норме отличаются друг от друга. Измененный позвонок будет выглядеть так же, как предшествующий позвонок. Другими словами, гены Нох₄ нужны для того, чтобы сделать последующий позвонок отличным от предыдущего. Если разрушить два гена Нох₄, то половина позвонков окажутся измененными, если три – изменения затронут еще большее число позвонков. Получается, что четыре гена оказывают на развитие шейного отдела позвоночника кумулятивный эффект. В направлении от головы к копчику гены поочередно включаются в работу и дорабатывают базовый дизайн позвонка до той формы, которая требуется в данной части организма. Благодаря наличию четырех пар генов организм человека и мыши более надежно контролирует процесс развития, чем единственный Hox-кластер у дрозофилы.

Также стало понятно, почему у позвоночных число генов в Hox-кластере доходит до 13, а у дрозофилы их всего восемь. У позвоночных есть еще хвост – продолжение позвоночника над анальным отверстием – с множеством своих позвонков. У насекомых такого сложно организованного хвоста нет. Дополнительные гены в кластере Нох у человека и мыши, которых нет у дрозофилы, нужны для программирования позвонков хвоста или копчика. В ходе эволюции, когда наши обезьяньи предки лишились хвоста, произошло ингибирование соответствующих генов, которые работают у мыши.

Мы подошли к наиболее интригующему вопросу: почему у всех организмов гены в кластере Нох упорядочены строго определенным образом – первый ген для головы, а последний для хвоста? Окончательного ответа на этот вопрос пока нет, но есть правдоподобные гипотезы. Первый ген в кластере не только включается в переднем отделе тела, но и первым из генов кластера включается в работу. Таким образом, к множеству генов, включаемых первым Hox-геном, следует также отнести второй Нох- ген, и так по цепочке. Действительно, развитие эмбрионов всех организмов начинается с головы. Следовательно, гены в кластере Нох расположены в той последовательности, в которой они включаются в работу. Гены как бы передают эстафетную палочку друг другу. Если мы рассмотрим усложнение организма животных в ходе эволюции, то увидим, что эволюция шла в том же направлении: постепенно усложнялись конечности и задняя часть туловища, тогда как голова оставалась головой. Так что в последовательности Hox-генов отображается также эволюция видов, что соответствует известному утверждению Эрнста Геккеля (Ernst Haeckel): «онтогенез повторяет филогенез», т. е. эмбрион развивается в той последовательности, в какой происходило развитие и усложнение предковых форм этого вида (Duboule D. 1995. Vertebrate Лох genes and proliferation – an alternative pathway to homeosis. Current Opinion in Genetics and Development 5: 525–528; Krumlauf R. 1995. Hox genes invertebrate development. Cell 78: 191–201).

Эрнст Геккель (1834–1919), немецкий зоолог, основоположник биологии индивидуального развития и экологии. Известен также своими расистскими взглядами, вдохновлявшими Гитлера во время написания Mein Kampf. – Онтогенез — развитие отдельной особи; филогенез — происхождение и эволюция вида.

Hox-гены лишь дают отмашку развитию эмбриона, установив для него оси развития от головы к хвосту и от спины к животу. За счет последовательного, растянутого во времени включения генов гомеозисного кластера каждый из них работает в своем сегменте тела. Теперь уже по сегментам каждый Нох-ген запускает каскад регулируемых им генов развития, многие из которых сами являются регуляторами других генов. Благодаря этому сегменты тела развиваются по своему индивидуальному плану и отличаются друг от друга. Так, одни сегменты превращаются в конечности, другие – в крылья. Полиморфизм органов и частей тела достигается не только за счет многообразия регуляторных генов, но и за счет того, что один и тот же сигнал по-разному интерпретируется в разных частях тела. Возьмем, например, уже знакомый нам декапентаплегальный (decapent-aplegic) ген дрозофилы. Синтезируемый под его контролем регуляторный белок управляет как развитием лапок мухи, так и развитием крыльев. Этот ген, в свою очередь, запускается белком другого гена, называемого hedgehog (ежик). Работа этого белка состоит в том, что он взаимодействует с другим белком, блокирующим промоторную часть декапен-таплегального гена, и заставляет его освободить промотор и разблокировать ген. Ген hedgehog относится к так называемым сегментно-полярным генам, т. е. он работает во всех сегментах тела, но только в их дистальных (краевых) частях. Если в эмбрионе мушки дрозофилы в сегменте, в котором образуются крылья, перенести частицу из края сегмента в среднюю часть, то у мухи вырастут «зеркальные» крылья с двумя сросшимися фронтальными половинками посредине и двумя задними опахалами по краям.

Вас уже не удивит, что у гена hedgehog есть аналоги в геномах как человека, так и птиц. У нас и у куриц есть три похожих гена: sonic hedgehog (Зоник Хеджхог), Indian hedgehog (индийский еж) и desert hedgehog (пустынный еж), выполняющих одну и ту же работу. (Из-за названий генов может возникнуть впечатление, что генетики страдают больным воображением. В генетических каталогах вы найдете гены с именами tiggywinkle (прыгающий моллюск) и целые семейства генов с общим именем warthog (бородавочник, или в данном случае, скорее, «бородавчатая свинья») и groundhog (имя гена можно перевести как «земляная свинья», но так по-английски называются многие животные – от сурка до трубкозуба). Что касается генов-ежиков, то такое название они получили по внешнему виду мушки дрозофилы с дефектным геном hedgehog.) Точно также, как у дрозофилы, назначение гена sonic hedgehog и его партнеров состоит в том, чтобы установить в конечностях оси фронтально-дорзальной асимметрии. У эмбриона сначала формируются симметричные отростки конечностей и только под влиянием генов семейства hedgehog происходит дифференциация конечности на переднюю и заднюю части. На куриных эмбрионах проводили следующий эксперимент. В строго определенное время микроскопический комок эмбриональных клеток смачивали в суспензии белка хеджхог и аккуратно под микроскопом вставляли в среднюю часть почки будущего крыла у 24-часового куриного эмбриона. В результате точно так же, как у дрозофилы, вырастали сдвоенные крылья. Каждое из них представляло собой пару крыльев, сросшихся фронтальной частью с оперением, торчащим вперед и назад от средней линии крыла.

Имя hedgehog (ежик) носит целое семейство генов индивидуального развития. Первый ген этого семейства был обнаружен в 1978 году нобелевскими лауреатами Эриком Вишаусом (Eric Wieschaus) и Кристианой Нюссляйн– Фолхард (Christiane Ntisslein-Volhard). Такое название

было предложено, поскольку мутантная мушка дрозофила была покрыта мелкими щетинками, делающими ее похожей на ежа. Все остальные гены hedgehog названы по видовым названиям ежей, за исключением гена sonic hedgehog, названного так в честь героя компьютерных игр кота Sonic the Hedgehog.