Инверсия и гены
На этой картинке показан зародыш позвоночного на стадии бластулы (она схематична, но, судя по всему, это бластула лягушки).
Цветами выделены две особенно интересные области. Голубой цвет - зачаток хорды, он же шпемановский организатор. О том, что это такое, я совсем чуть-чуть писал: в нормальном развитии зачаток хорды действует на прилегающую к нему эктодерму таким образом, что вызывает сворачивание эктодермы в нервную трубку. Процесс такого рода называется эмбриональной индукцией и наблюдается вообще-то в развитии очень многих органов. Тот конкретный эпизод индукции, который заключается в действии зачатка хорды на зачаток центральной нервной системы, принято называть первичной или шпемановской индукцией (последнее, понятно, по имени первооткрывателя). Участок ткани, служащий индуктором - а это и есть зачаток хорды - иногда называют первичным или шпемановским организатором. Тут, как видим, имеет место нагромождение терминов, но суть довольно простая, если не влезать в биохимические детали.
Итак, первичный организатор на схеме выделен голубым. Расположен он, понятно, на спинной стороне тела. Также понятно, что клетки первичного организатора (как и любого другого участка ткани, имеющего особую функцию) должны отличаться от окружающих клеток набором геном, которые в них активны, и белков, которые в них синтезируются. Белки эти перечислены в голубом прямоугольнике слева. Обсуждать их все сейчас не будем, но отметим, что среди них значится белок Chordin, название которого с тем и связано, что он маркирует область раннего зачатка хорды.
Противоположная сторона зародыша - брюшная - маркируется синтезом белков BMP (bone morphogenetic proteins). Соответствующая область отмечена коричневым. Строго говоря, BMP - это большое семейство белков с разнообразными функциями, для нашей темы имеют значение не все из них; здесь указаны белки BMP4 и BMP7.
Гены chordin и BMP, кодирующие соответствующие белки, - это гены спинно-брюшной, или дорсо-вентральной, полярности. Их экспрессия регионально-специфична и привязана или к спинной, или к брюшной стороне.
BMP (bone morphogenetic protein) - это внеклеточный сигнальный белок. Он распространяется в межклеточной среде, а достигая клетки, действует на расположенный в ее мембране белок-рецептор, который запускает в цитоплазме последовательность химических реакций, в конечном счете приводящих к активации определенных генов. Уже отмечалось, что семейство белков BMP довольно велико, со спинно-брюшной полярностью связаны лишь некоторые из них.
На схеме видно, сколько молекул принимают участие в реализации сигнального пути от мембранного рецептора до ДНК (которая показана привычной двойной спиралью).
Хордин - штука более интересная. Это белок с четвертичной структурой, то есть собранный из нескольких отдельных аминокислотных цепочек; в его состав входит 941 аминокислота - это очень много. А функция его состоит в том, чтобы связывать и инактивировать белок BMP:
В данном случае речь идет о белке BMP4. Эктодерма, связывающая этот белок, тем самым получает сигнал, диктующий ей становиться эпидермисом (то есть, грубо говоря, кожей), а не нервной трубкой. Но шпемановский организатор (серый) выделяет молекулы хордина (красные), которые связываются с молекулами BMP4 (голубыми) и не дают им ни на что подействовать. Поэтому спинная эктодерма образует нервную трубку, а брюшная нет. Известно, что микроинъекция иРНК хордина может вызвать образование дополнительной нервной трубки в области, где ее в норме быть совсем не должно.
Реальные механизмы, конечно, намного сложнее, чем следует из этих картинок. Даже и тут указано, что функцию блокирования BMP4 выполняет не только хордин, но и другие сигнальные белки - ноггин, например.
Но нас сейчас интересует сравнение. Вот мы теперь знаем, как экспрессируются гены белков спинно-брюшной полярности у позвоночных. Ну, а у других животных?
Слева муха-дрозофила, справа лягушка. У дрозофилы гомолог гена BMP4 (он называется decapentaplegic) экспрессируется на спинной стороне, а гомолог гена chordin (он называется sog) - на брюшной. Как и у позвоночных, продукты этих генов являются антагонистами. Более того, белок Sog, взятый от дрозофилы, может вызвать образование нервной трубки у зародыша лягушки. Такие данные вполне позволяют обосновать предположение, что спинная сторона хордового гомологична брюшной стороне членистоногого, и наоборот. Этьен Жоффруа Сент-Илер был бы счастлив. Вот он, пожалуйста, - общий план.
Но что же это означает с точки зрения эволюции?