тела
Необходимая пространственная информация хранится на молекулярном уровне в самой ДНК в виде четырех генных кластеров. Типов так называемых HOX-генов всего тринадцать. Их так и принято нумеровать: от 1 до 13. В каждом из четырех кластеров – HOXA, HOXB, HOXC и HOXD – HOX-гены, расположены в порядке нумерации (рис. 28). Таким образом, ген типа 1 в кластере HOXA называется HOXA1, ген типа 1 в кластере HOXB – HOXB1. Следовательно, в кластере HOXA гены располагаются в порядке HOXA1, A2, A3 и т. д. Ни в одном кластере нет версии каждого гена от 1 до 13. Таким образом, если положение генов изобразить на диаграмме, поместив гены одного типа в одну колонку, в каждом HOX-кластере будут пробелы (рис. 28). Есть весомые свидетельства того, что у наших далеких предков был только один HOX-кластер (именно этот кластер по-прежнему есть у насекомых, например у мучного хрущака), но в процессе эволюции позвоночных HOX-кластер был скопирован дважды. Так образовались первые два кластера (как у бесчелюстные позвоночных), а затем и еще два (как у челюстноротых позвоночных).[93] Это объясняет, почему HOXA1 так похож на HOXB1, а HOXA2 так напоминает HOXB2 и т. д. С тех пор каждый кластер утратил некоторые гены. Предположительно это случилось потому, что вскоре после дублирования гены были настолько похожи, что любой из них мог заменять другой. Потеря предками гипотетического H OX D 6, например, не имела значения, если H OX A 6, H OX B 6 и HOXC6 могли выполнять все его функции. Со временем однотипные гены разных кластеров мутировали и приобретали значительные функциональные отличия, а значит, дальнейшие потери стали невозможны. Верить или не верить таким историям об эволюции – решать вам. Факт в том, что человеческие HOX-кластеры теперь имеют такой вид (рис. 28).
Поразительно, что в течение каких-то 460 млн лет челюстноротые позвоночные плавали, ходили или летали, а порядок HOX-генов внутри кластера ни разу не менялся! При этом большинство других генов уже пережили огромное количество перемен и многократно меняли взаимное расположение. На сегодняшний день последовательность генов у разных типов животных отличается. Причины такого постоянства расположения HOX-генов в кластере напрямую связаны с порядком специализации сегментов вдоль оси тела.
Рис. 28. Генетическая структура четырех человеческих HOX-кластеров. Каждая горизонтальная линия обозначает непрерывную область хромосомы. Каждая ячейка с номером – ген HOX (например, ячейка 1 кластера HOXA – HOXA1 и т. д.)
Генные HOX-кластеры начинают проявлять активность в структурировании организма уже во время гаструляции. На каждом участке оси от шейного отдела к поясничному эта активность проявляется незадолго до образования сомитов. В то время как клетки в ходе гаструляции продвигаются через узелок, активируются гены с левого конца HOX-кластеров («левый» на рис. 28). Процесс начинается с будущего шейного к поясничному отделу. Позже, когда клетки, направленные на формирование задней части тела, вовлекаются в гаструляцию, активируются и гены, расположенные правее в HOX-кластерах. Еще через некоторое время, когда гаструляция продвинется дальше по оси «голова – хвост», активизируются гены, изображенные на рис. 28 правее. В каждом случае клетки «запоминают» набор HOX-генов, которые они «подключили», как только появились из узелка. Они в течение долгого промежутка времени поддерживают активность этих генов. Возможно, не стоило так упрощать, но в данном случае это даже полезно.
Таким образом, клетки, которые проходят стадию гаструляции раньше, «включают» HOX-гены слева (см. рис. 28). Клетки, подвергшиеся гаструляции позже, активируют HOX-гены справа. Как это можно контролировать? Есть способы. Можно направить процесс активации потенциальных генов направо через кластеры HOX-генов. Клетки в это время ожидают гаструляции. Согласно этой идее, когда клетка ныряет через узелок, чтобы гаструляция произошла, она на самом деле активирует экспрессию множества HOX-генов, которые потенциально могут быть задействованы в нужный момент. Она помнит этот набор. Клетки, которые гаструлируют позже, находятся дальше от будущей головы эмбриона, экспрессируют набор генов дальше вправо (см. рис. 28). Так волна активации потенциальных генов будет иметь больше времени для продвижения направо через кластер. По этому механизму, порядок генов в HOX- кластерах на молекулярном уровне транслируется на порядок экспрессии генов HOX на эмбриональном уровне. А эмбрион уже достиг миллиметрового диапазона. Это один из немногих примеров взаимосвязи генетической и эмбриональной структуры.
Прежде чем изучать последствия экспрессии генов на разных уровнях оси «голова – хвост», стоит потратить немного времени, чтобы выяснить, как волна активации потенциальных генов в первую очередь проходит через HOX-кластеры. Детали этого процесса до сих пор тщательно исследуются, но общая схема механизма, кажется, начинает вырисовываться сквозь дымку множества экспериментальных результатов. В хромосомах ДНК может быть довольно компактно упакована среди белков. Это полезно для экономии пространства, но при этом гены недоступны для транскрипции. Принципиально ДНК может быть и в свободной, легко доступной форме. Большую часть времени многие участки хромосом плотно упакованы, а более свободные «петли» ДНК выходят за их пределы. Некоторые участки упакованы плотно. Некоторые никогда не были так упакованы. Некоторые из них могут быть в любом состоянии, в зависимости от присутствия того или иного ДНК-связывающего белка. Последние данные, полученные в ходе экспериментов над мышиными эмбрионами, позволяют предположить, что по крайней мере один из hoх-кластеров,[94] hoxb, может быть в любом из обозначенных состояний.
Перед активацией hoxb-генов кластер в компактном состоянии. Из всех генов hoxb-кластера самый правый ген (hoxb13) «похоронен» в глубине
