“А что же Hunchback?” – спросит внимательный читатель и будет прав. Четвертый белок не только помогает Bicoid запускать формирование головы. Он еще и участвует в налаживании более тонкой разметки отдельных сегментов. К его концентрации чувствительны многие gap-гены (“гены пробела”), разбивающие далее эмбрион на отдельные полосочки: где Hunchback, например, еще есть, но уже мало, там будет синтезироваться белок Kruppel, а где синтезируется Kruppel, там будут расположены конкретно парасегменты 4–6 (“пара” означает, что они сдвинуты относительно настоящих анатомических сегментов), маркирующие центр тела. А у Kruppel, как уже догадался внимательный читатель, тоже есть свои подчиненные, в том числе более низкого уровня иерархии, более тонкой нарезки тела на полосочки. Там дальше выходит на сцену группа генов pair rule (“парного правила”), способных подавлять производство самих себя в соседних клетках. Это делает эмбрион (если его покрасить чувствительными к ним красителями) полосатым, как зебра. После определения границ сегментов на сцену выходят гомеозисные гены, уже непосредственно регулирующие развитие набора органов, характерных для каждого участка. К ним относится, например, Antennapedia, отвечающий за развитие ног второго грудного сегмента. Его забавное название связано с тем, что при его избыточной активации ноги у дрозофил вырастают также и на голове, вместо антенн. Если же он не работает, то, напротив, вместо ног на втором грудном сегменте вырастают антенны.
То есть еще раз смотрите, что получается. Довольно простая система, начинающаяся с небольшого числа линейно распределенных компонентов, быстро приводит к уникальному набору регуляторных белков в каждой точке тела животного. Это мы еще ничего не говорили про ось “брюхо – спина” и “средняя линия – краешки”, а там тоже есть свои градиенты. Они работают все вместе и формируют систему координат, четко определяющую расположение каждого органа.
Заранее заложенная полярность яйцеклетки играет роль в развитии не только насекомых, но даже зародышей рыб и амфибий, однако не выражена у млекопитающих. На то, где у них будет голова, а где хвостик, могут влиять и внешние факторы, такие как расположение имплантировавшегося эмбриона относительно стенки матки. Но на последующих этапах в разметке передне-задней оси тела млекопитающего ключевую роль играют Hox-гены, гомологичные[52] гомеозисным генам дрозофилы. Они интересны тем, что порядок их расположения на хромосоме в обоих случаях соответствует последовательности их применения в организме; чем меньше порядковый номер конкретного Hox-гена, тем ближе к голове он работает, а чем дальше мы продвигаемся к хвосту, тем сильнее разворачивается клубок ДНК, чтобы ферменты могли подобраться к Hox-гену с более высоким порядковым номером. От границы между зонами работы Hox5 и Hox6, например, зависит, окажется ли позвонок шейным или грудным (то есть будут ли на нем формироваться ребра). Нарушения их регуляции приводят у млекопитающего к формированию лишних ребер или к отсутствию нужных. Внимательный читатель может помнить, что от этого в девятой главе страдали мыши, которым вводили высокую дозу глюкокортикоидов, синтетических аналогов гормона стресса.
Существенно для развития, что клетки занимаются не только собственной жизнью, но и активно влияют друг на друга. В эмбрионах бывают участки, которые интенсивно выделяют морфогенетические факторы, подчиняя окружающие ткани, заставляя их направиться по определенному пути развития, и таким образом задают общий план строения эмбриона. Такие участки называют организаторами. Первый из них описали в 1924 году эмбриолог Ханс Шпеман и его аспирантка Хильда Мангольд. Они работали с эмбрионами тритонов и проводили ювелирные операции по пересадке фрагментов тканей одного зародыша в другого. Причем исследователям удалось подобрать для работы два близкородственных вида тритонов, у одного из которых клетки (в том числе зародышей) были пигментированными, а у другого нет. Выяснилось, что если пересадить клетки дорсальной губы бластопора (это углубление, которое формируется в ходе развития зародыша тритона напротив точки проникновения сперматозоида) из одного эмбриона в другой, то из них все равно формируется хорда, как если бы их никуда не пересаживали. То есть у эмбриона-химеры появляются две хорды, а вслед за ними и все положенные окружающие органы, получаются тритоньи сиамские близнецы. Благодаря разнице в пигментации клеток донора и реципиента удалось также обнаружить, что это не сама пересаженная губа бластопора превращается в целого второго тритончика – она заставляет и окружающие клетки реципиента сменить направление своего развития, именно они дают начало второму спинному мозгу и другим органам.
Основные инструменты экспериментальной эмбриологии изменились за последние 100 лет скорее с точки зрения масштаба, чем с точки зрения принципиального подхода. Современная микроскопия, возможности изучения набора РНК и белков, возможности внедрения флуоресцентных меток или генетического анализа отдельных клеток позволяют детально прослеживать судьбу каждого исходного компонента, но ответы на главные вопросы по-прежнему сводятся к концепциям необходимости и достаточности. Если какой-нибудь фрагмент эмбриона удалить и после этого соответствующий орган не разовьется – значит, тот фрагмент был для развития необходим. Если какой-нибудь фрагмент эмбриона пересадить в не предназначенное для этого место и там развивается соответствующий орган – значит, тот фрагмент эмбриона был для этого достаточным. Просто в 1924 году в роли такого пересаживаемого фрагмента выступали несколько клеток, а в современности это может быть отдельный ген, причем иногда перенесенный в ткани зародыша радикально другой систематической группы. Таков, скажем, ген Pax6. Кодируемый им транскрипционный фактор вызывает развитие глаз – у кого угодно и где угодно. Естественно, я преувеличиваю, но не очень сильно. Можно взять мышиную версию Pax6 и заставить его экспрессироваться в ноге дрозофилы, и тогда она сформирует на ноге глаз, притом не мышиный, а свой собственный. Многие гены, регулирующие развитие, очень консервативны, поскольку большинство отклонений на ранних этапах жизни эмбриона оказываются смертельными. Неудивительно поэтому, что чем младше эмбрионы, тем сильнее они похожи друг на друга в разных систематических группах: сначала разворачиваем общий план строения, потом уже допиливаем отдельные уши, лапы и хвосты. Потом шерсть. Потом бантики.
Если кто учился на биофаке и упоминает об этом, то окружающие часто ожидают, что такой человек знает, как называется какая-нибудь птичка или цветочек. На самом деле эту важнейшую информацию действительно вскользь упоминают на младших курсах, но все остальные четыре или шесть лет посвящены примирению с мыслью, что никакой разницы между птичкой и цветочком нет. Все состоят из клеток, у всех есть ДНК и ее регулируемое прочтение, а уж возникли на этом основании перья или чашелистики – дело десятое.
Даже в биологии развития довольно много параллелей между растениями и животными; основная разница в том, что клетки растений обычно окружены жесткой оболочкой, а клетки животных нет, и поэтому последние легче обмениваются биохимическими сигналами, а также способны в ходе эмбрионального развития менять форму и куда-нибудь мигрировать, а не только расти и размножаться в нужном направлении. А в остальном все принципы, перечисленные в начале главы, применимы к ним одинаково. А уж при сравнении эмбрионального развития внутри группы “животные” и вовсе сходство удивительное. Чтобы фокусироваться на различиях и вообще помнить, что они есть, следует прилагать отдельные сознательные усилия.
За редкими исключениями типа трутней (самцов пчел) и без учета половых хромосом животные обладают двойным набором генов: каждая молекула ДНК наследуется в двух копиях, от папы и от мамы, благодаря чему большинство мутаций удается компенсировать без вредных последствий для здоровья. Следовательно, половые клетки должны содержать лишь половину имеющейся ДНК, чтобы затем заново слить две половины вместе. Это достигается с помощью мейоза, сложной и двухстадийной разновидности клеточного деления, в ходе которой хромосомы могут еще и обмениваться фрагментами, чтобы каждая клетка несла совершенно уникальную комбинацию генов. В результате мейоза образуются четыре клетки с одинарным набором хромосом; если речь идет о сперматогенезе, то в дело идут все, а вот при оогенезе вся цитоплазма достается только одной из разделяющихся клеток. Результат двух последовательных делений – это одна гигантская яйцеклетка и два отделившихся от нее полярных тельца (первое из которых тоже может еще раз поделиться), нужных только для того, чтобы забрать лишнюю ДНК и умереть[53].
Слияние яйцеклетки и сперматозоида – процесс, в ходе которого нужно решить несколько задач. Во-первых, привлечь и пропустить внутрь сперматозоид именно своего биологического вида (если у вас разыгралось воображение, то напоминаю, что у многих живых организмов внешнее оплодотворение, а в водоеме чего только не плавает). Во-вторых, пропустить только один сперматозоид и тут же сделать оболочки яйцеклетки непроницаемыми для всех остальных. В-третьих, сделать так, чтобы проникновение не осталось незамеченным, а напротив, запустились бы процессы объединения генетического материала и дальнейшего развития эмбриона.
Эволюции здесь было где развернуться, и у живых существ сформировалось большое разнообразие приспособлений к эффективному оплодотворению. У многих грызунов, например, сперматозоиды умеют объединяться в скопления (их называют поездами) и синхронно работать жгутиками, чтобы плыть быстрее. Нужно это в тех случаях, когда самка спаривается за короткий промежуток времени с большим количеством самцов: таким образом сперматозоиды одного самца стремятся выиграть межгрупповую конкуренцию со сперматозоидами других. У морских ежей (и ряда других водных животных) яйцеклетка после слияния с первым сперматозоидом мгновенно изменяет электрический заряд мембраны (совершенно так же, как нейрон при проведении нервного импульса), предотвращая проникновение остальных. У человека (и у кролика; это те, кого проверяли) после овуляции повышается температура яичников, а сперматозоиды склонны плыть в сторону тепла, причем улавливают совсем крохотную разницу температур, сотые доли градуса [4].