Наиболее удивительным и полезным свойством коллекции мутантов Нюсляйн-Фольхард и Вишауса было то, что все экземпляры имели серьезные, но очень специфические дефекты в разметке плана строения эмбриона. Например, некоторые мутанты были лишены целой группы сегментов тела, а другие имели лишь половину нормального количества сегментов. Это означало, что мутантные гены определяли создание основных анатомических модулей, из которых составлено тело насекомого. К третьей группе мутантов относились те, у кого по определенному правилу нарушалась полярность каждого сегмента, так что было ясно, что мутантные гены влияют на разметку структуры модулей. Во всех случаях, однако, развитие не останавливалось полностью: какие-то специфические процессы прекращались, но какие-то протекали нормально.
Рис. 3.7. Инструментальный набор развития. Разметку и сборку тел животных контролируют несколько разных классов белков — продуктов генов развития. Рисунок Джоша Клейса.
Теперь нам многое известно о генах из генетического набора инструментов. В основном, все гены этой группы управляют развитием организма, включая и выключая другие гены в процессе развития (рис. 3.7). Значительную часть этой группы составляют гены транскрипционных факторов — связывающихся с ДНК белков, которые напрямую включают и выключают транскрипцию генов, подобно мастер-генам, о которых я говорил выше. Другая часть генов из набора инструментов задействована в так называемых сигнальных путях. Клетки общаются друг с другом путем передачи сигналов в форме белков, которые выводятся из клетки и направляются от места синтеза к месту своего назначения. Затем эти белки связываются с рецепторами других клеток, где запускают каскад реакций, в числе которых изменение формы клетки, миграция, начало или прекращение деления клетки, а также активация или репрессия генов. Передача сигналов между группами клеток в значительной степени обеспечивает локальную разметку развивающихся структур. У дрозофилы сигнальных путей немного (всего около десяти), но в каждом из них задействовано множество компонентов — сигнальных белков, рецепторов и молекул-посредников. Все эти компоненты обеспечивают прохождение сигнала через все компартменты клетки — от мембраны через цитоплазму и в ядро. Мутация любого из этих компонентов может нарушить передачу сигнала и остановить процесс развития.
Биологи ухватились за идею о том, что гены, которые использует плодовая мушка, используются и другими животными. Поэтому всякий раз, обнаружив новый ген из набора генов развития дрозофилы, ученые начинали поиск его двойника у позвоночных. Это привело ко многим важным открытиям. Рассказом об одном из них я завершу эту главу.
От "ежей" к полидактилии, циклопам и раку
Нюсляйн-Фольхард и Вишаус коллекционировали мутантных личинок дрозофил с явными дефектами тела и давали генам, которые повлияли на их внешний вид, соответствующие названия. Это внесло в генетику дрозофилы особый колорит. Многие названия были немецкими, поскольку исследования проводились в Тюбингене. Поэтому в наборе генов развития есть гены с немецкими именами knirps (малыш), Kruppel (калека), spitz (острие), но и с английскими тоже — shavenbaby (бритое дитя), buttonhead (сферическая голова), faint little ball (бледный маленький шарик) и многие другие. Одним из любимцев генетиков был ген hedgehog (еж), названный так потому, что мутантная личинка была покрыта тонкими волосками и напоминала ежа (рис. 3.8). Молекула Hedgehog играет в организме дрозофилы очень важную роль, но ее известность возросла еще больше, когда несколько исследовательских групп обнаружили ген hedgehog у позвоночных.
Рис. 3.8. Кутикула нормальной личинки дрозофилы и мутанта hedgehog Тонкие волоски (дентикулы) мутантной личинки спутаны и находятся в беспорядке, так что напоминают иголки ежа (В), тогда как кутикула нормальной личинки характеризуется ровными поясками дентикул, соответствующими сегментам личинки, которые отстоят друг от друга на одинаковое расстояние (А). Фотографию предоставил Бенедикт Сэнсон, Кембриджский университет.