Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Партасарати Рагувир

Возьмем тот же белок Sonic hedgehog: он не распределен по эмбриону равномерно, но и не сосредоточен в фиксированной концентрации в каких-то избранных областях. Sonic hedgehog скорее образует градиент концентрации: она постепенно снижается по мере удаления от места, где белок синтезируется. (Как и все белки, он со временем распадается, и потому его общее количество не растет постоянно.) Этот градиент – следствие обычной диффузии, случайного блуждания молекул из исходных точек, которое, как мы видели в главе 6, приводит к размыванию молекулярного облака. Sonic hedgehog производится во многих частях развивающихся организмов, потому возникает множество локальных градиентов. Одна из таких зон – зачаток конечности, который обретает форму на третьей неделе человеческого эмбриогенеза. В этом зачатке (их всего четыре) Sonic hedgehog сконцентрирован с одной стороны, а по мере продвижения к другой его содержание снижается.

Если вы повернете свою левую руку ладонью к себе и пальцами вверх, ваш большой палец окажется слева, а мизинец – справа. Хотя мы с вами не встречались, я могу уверенно сказать, что ваши пальцы расположены именно так, а не наоборот и не

в случайном порядке. Их расстановка определяется градиентом Sonic hedgehog: там, где белка больше всего, формируется мизинец, а там, где меньше, – большой палец. У других животных процесс аналогичен. В зачатке крыла цыпленка градиент Sonic hedgehog определяет порядок трех костных пальцев, которые формируются по схеме 3-2-1 в соответствии с профилем концентрации диффундирующего белка (см. верхнюю часть рисунка: размытием темного пятна обозначен градиент Sonic hedgehog, а кости показаны так, как они формируются у четырехдневного эмбриона). Пересадка ткани из места синтеза белка в одном зачатке крыла в область низкой его концентрации в другом зачатке создает два зеркальных профиля концентрации, располагающих шесть пальцев в порядке 3-2-1-1-2-3 (нижняя часть рисунка)⁵. Клетки просто считывают локальную концентрацию Sonic hedgehog, не ведая о странных манипуляциях, которые ее создали. В эксперименте Шэрил Тикл и ее коллег из британского Университета Бата закономерности развития куриных крыльев использовали, чтобы отследить процессы, определяющие судьбу каждого пальца позвоночных животных, и заодно установить, от каких динозавров произошли птицы. Концентрацию Hedgehog зародышевые клетки оценивают испокон веков. Его градиенты определяют, например, последовательность пальцев на вашей руке и последовательность присосок на щупальце каракатицы⁶, хотя последний общий предок человека и каракатицы жил более полумиллиарда лет назад. (Напомню, каракатицы – это головоногие моллюски, состоящие в близком родстве с кальмарами и осьминогами.)

Градиенты Sonic hedgehog руководят организацией и других частей тела, не только конечностей: они играют важную роль в формировании нервной системы, легких, зубов, черт лица и многого другого. Кроме того, этот белок проявляет себя при раке: развитие злокачественных опухолей часто сопряжено с активацией эмбриональных генетических процессов, подстегивающих стремительный, но в этом случае нежелательный рост⁷.

Sonic hedgehog – один из многих морфогенов, веществ, которые управляют формообразованием посредством разницы их концентраций. Существование морфогенов в 1952 году, за несколько десятилетий до обнаружения реальных примеров, предсказал математик и пионер информатики Алан Тьюринг; он даже дал им название в своей провидческой статье о теоретической возможности существования таких систем⁸. В каждом развивающемся эмбрионе сосуществуют и взаимодействуют многочисленные морфогенные градиенты.

Что же делают морфогены? Чаще всего они либо напрямую, либо через посредников регулируют транскрипцию, включая и выключая разные гены, как описано в главе 4. Эффективность фактора транскрипции зависит от его концентрации. Это тоже вытекает из физики: связывание любой молекулы с любой другой происходит в постоянной суматохе прикреплений и откреплений, и вероятность того, что какой-то фактор транскрипции свяжется с ДНК-мишенью, тем выше, чем больше его копий плавает в среде. Функция отклика – вероятности того, что ген экспрессируется, или изменения уровня синтеза его белка – может быть гладкой, отражающей его зависимость от концентрации активатора или репрессора транскрипции, или с резким изломом, как при переключении тумблера – когда отклик может быть почти нулевым при низкой концентрации активатора и высоким («включенным») после превышения какого-то его порогового уровня.

Зависимость экспрессии генов от концентрации регуляторов может порождать удивительно замысловатые паттерны распределения их продуктов. Давайте рассмотрим упрощенный пример, а затем и реальность. Представьте эмбрион в форме удлиненной пилюли. Пока все соответствует действительности: на ранних стадиях развития почти все организмы представляют собой шары или эллипсоиды – поначалу все мы пузыревидны. Допустим, источник морфогенов находится в левой части эмбриона и сформирован из особых клеток или материалов, предоставленных матерью. Морфоген А распространяется путем диффузии и формирует градиент концентрации, которая постепенно снижается к другому полюсу эмбриона (левое изображение в верхнем ряду). Если отклик на морфоген А осуществляется переключением – ген включается, когда А много, и выключается, когда А мало, – профиль производства продукта этого гена будет ступенчатым (верхний ряд, справа).

Теперь допустим, что в той же области образуется и морфоген B. Возможно, из-за большего размера его молекулы случайные блуждания B не столь интенсивны, следовательно, градиент его концентрации компактнее, резче и зона того же переключательного отклика ограничена меньшим пространством (средний ряд).

Как вы помните из четвертой главы, клетки могут создавать из генов схемы, отклик которых зависит от входящих сигналов. Следовательно, схема, которая включается, когда A много, а B мало, и выключается при любой другой комбинации, даст профиль экспрессии в форме полосы, чуть смещенной влево от центра. Схема, чувствительная к комбинации «мало А и мало B», откликнется лишь в правой половине

эмбриона (нижний ряд).

Градиенты концентраций всего двух факторов транскрипции могут породить более двух пространственных паттернов генной экспрессии. Активированный ген может кодировать белок, ответственный за онтогенетический процесс со строго определенным «адресом», либо другой фактор транскрипции, способный взаимодействовать с первыми двумя. Допустим, фактор C управляется схемой «много А и мало B» и распространяется путем диффузии (см. следующий рисунок). Тогда схема «много C и мало A» будет активна в узкой полосе сразу за правой границей области синтеза C – там, где А уже мало, а диффундирующего C еще достаточно, чтобы считать его концентрацию высокой.

Узкая полоса иллюстрирует точность организации, обеспечиваемую небольшим числом морфогенов. Когда факторов транскрипции с характерными для них градиентами становится больше, спектр возможностей резко расширяется. Несложно представить, как можно задать специфические паттерны экспрессии генов, точно соответствующие назначению клеток, из которых формируются те или иные органы и ткани.

В теории это кажется убедительным, и организмы действительно применяют этот подход на практике. Процесс формирования паттернов мы уже несколько десятилетий приблизительно представляем и наблюдаем размытие концентраций факторов транскрипции и соответствующее профилирование экспрессии генов. В последние годы удается детальнее изучать эти процессы у все большего спектра организмов и с возрастающим числом вовлеченных генов. Лучше всего мы разбираемся в пространственной организации эмбрионов дрозофил, которых изначально исследовали уже знакомые нам Нюслайн-Фольхард и Вишаус. На ранних стадиях развития – задолго до появления ног, крыльев и даже головы – эмбрион мушки представляет собой тот самый удлиненный эллипс, что мы изображали чуть выше. У одного из полюсов внутри своей яйцеклетки (условно переднего, головного) мушка-мать оставляет наследство в виде мРНК, благодаря трансляции которой в зиготе создается стартовый градиент фактора транскрипции Bicoid, подобный градиенту нашего гипотетического морфогена B. Этот градиент задает передне-заднюю ось формирующегося тела. Bicoid связывается с промотором гена hunchback и активирует его экспрессию. Градиент концентрации белка Hunchback тоже ориентирован спереди назад. Далее широкими полосами экспрессируются еще полдюжины генов, комбинированные эффекты которых приводят к появлению более узких профилей экспрессии – например, семи полосок активности гена even-skipped [36] , которые появляются всего через три часа после оплодотворения яйцеклетки.

36

Название even-skipped («четные пропущены») указывает на то, что этот ген экспрессируется только в нечетных сегментах мушиного эмбриона, в отличие от гена odd-skipped («нечетные пропущены»). Оба гена входят в группу pair-rule genes («гены парного правила»), с активации которой и начинается сегментация зародыша.

Паттерны экспрессии even-skipped и других генов предопределяют разделение тела мушки на 14 сегментов. Из разных сегментов формируются разные структуры. Три сегмента, например, образуют грудной отдел, и на каждом из них при участии гена hedgehog вырастает по паре ног.

Особенно приятно, что наши биофизические знания позволяют измерять и предсказывать эти специфические паттерны полосок и сегментов, играющие важнейшую роль в определении плана тела любой зарождающейся дрозофилы. Что касается измерений, можно в живых эмбрионах исследовать транскрипцию интересующего гена, обеспечивая взаимодействие его РНК с фрагментами ДНК или РНК-связывающими белками, меченными флуоресцентным белком вроде GFP (см. главу 2): его легко локализовать по свечению. Если пришить ДНК флуоресцентного белка прямо к последовательности интересующего гена, можно по интенсивности свечения отслеживать количество его белкового продукта. В любом случае свечение служит точным, количественно измеримым показателем, позволяющим понять, что, где и когда происходит в онтогенезе⁹. Что касается прогнозирования, можно с помощью уравнений броуновского движения и функций генетического отклика рассчитать паттерны распределения белков и активности генов¹⁰. Эти расчетные данные пока не идеально отражают природные закономерности, но определяемые ими размеры и время появления полосок и зазоров довольно точно согласуются с реальной картиной мушиного эмбриогенеза.

Вообще плодовая мушка способна на гораздо более тонкую настройку в организации зародыша. В гипотетическом примере мы рассматривали лишь два уровня чтения гена – при низкой и при высокой концентрации морфогена. Но клетки могут обладать более утонченной чувствительностью и давать три разных ответа на три уровня морфогена (низкий, средний, высокий), а то и на четыре, пять и более. Казалось бы, неплохо различать больше уровней, ведь тогда организм станет высокоструктурированным за счет меньшего количества ингредиентов. Что же ограничивает точность эмбриона? Может ли плодовая мушка распознавать тысячу разных концентраций Bicoid в тысяче разных точек тела, формируя тысячу разных анатомических черт на базе единственного пространственного градиента?