Есть тонкие властительные связи

Судя по обсуждениям в этом журнале, широкая публика уже более или менее примирилась с существованием генов и с тем, что случайные мутации в них поставляют материал для естественного отбора. Остается, однако, вопрос, а как мутации – то есть, изменение последовательности нуклеотидов в ДНК и закодированной ею последовательности аминокислот в белке – вызывают серьезные морфологические изменения, скажем, появление новых органов? Ведь замена одной «буквы» в одном белке – слишком незначительное событие, чтобы иметь какие-то глобальные последствия?

Краткий ответ на этот вопрос – смотря в каком белке. Услышав слово «белок», мы в первую очередь представляем себе структурные белки, из которых и состоят клетки, но главная роль в морфогенезе принадлежит белкам регуляторным. А среди них особенно важны так называемые «факторы транскрипции», способные связываться с определенными участками ДНК и координированно регулировать экспрессию генов – иногда сотен их разом, составляющих целые программы развития. Как пишет Шон Кэрролл (не физик, а другой Шон, биолог-эволюционист), морфологические изменения в эволюции обычно связаны даже не с появлением новых генов, а с изменением характера экспрессии уже имеющихся.

Важнейшая группа факторов транскрипции кодируется Hox-генами, среди которых мы рассмотрим Hox10. Именно этот ген отвечает за то, что у нас с вами есть ребра в грудном отделе тела и нет в поясничном: его продукт подавляет образование ребер в ходе зародышевого развития. Если искусственно повредить этот ген у мышиного эмбриона, у него вырастут дополнительные ребра – как на картинке внизу справа.

У змей ребра растут по всей длине тела, но ген Hox10 у них в порядке, что некоторое время составляло загадку. Выяснилось, однако, что у этих животных имеется мутация – замена единственного нуклеотида! – в участке ДНК, с которым связывается белковый продукт Hox10. (Сам этот участок ничего не кодирует, а играет роль «энхансера», активатора транскрипции других участков). Соответственно, у змей белок, кодируемый Hox10, синтезируется, но не действует – не связывается с дефектным энхансером и не подавляет образование ребер ни в каких отделах тела.

Мне кажется, этот пример – довольно наглядная иллюстрация генетических механизмов морфологической эволюции.

Формирование ребер в поясничном отделе мышиного эмбриона
при «выключении» гена Hox10 за счет мутации:
слева – дикий тип, справа – мутант
(фото из статьи Wellik & Capecchi 2003-го года)