Генетика развития

Как клетка узнаёт, где она находится?

Все клетки эмбриона несут одну и ту же ДНК. Тем не менее из них должны возникнуть разные структуры — голова спереди, хвост сзади, левая сторона слева. Клеткам нужна система координат. И эта система химическая: морфогены — сигнальные молекулы, которые диффундируют от источника по ткани, образуя градиент концентрации. Каждая клетка измеряет локальную концентрацию и в зависимости от порогового значения включает те или иные гены.

Классический пример — белок Бикоид (Bicoid) у плодовой мушки. Он производится на переднем полюсе яйца и диффундирует назад. Высокая концентрация спереди — структуры головы. Средняя концентрация — грудные сегменты. Отсутствие Бикоида сзади — брюшко. Одной-единственной молекулярной оси достаточно, чтобы задать всю переднезаднюю ось тела. В человеческом эмбрионе десятки таких морфогенов — Sonic Hedgehog (SHH), Wnt, BMP, FGF — взаимодействуют на разных уровнях и определяют судьбу каждой отдельной клетки.

Hox-гены — 600 миллионов лет без изменений

Hox-гены — главные регуляторы плана строения тела. Они кодируют транскрипционные факторы — белки, которые связываются с ДНК и включают или выключают другие гены, — с высококонсервативным ДНК-связывающим доменом, гомеобоксом. В эмбрионе Hox-гены экспрессируются вдоль оси тела в пространственном порядке, который точно соответствует их расположению на хромосоме: гены в начале кластера управляют передними отделами тела, гены в конце — задними. Эта колинеарность — соответствие положения на хромосоме положению в теле — действует практически универсально в животном мире.

Поразительный факт: Hox-гены существуют в почти неизменном виде уже более 600 миллионов лет у всех животных с двусторонней симметрией тела. Hox-гены плодовой мушки и человека гомологичны — у них общее эволюционное происхождение. Если искусственно добиться экспрессии мышиного гена Pax6 (также известного как Small eye) у плодовой мушки — например, в зачатке ноги или крыла, — там образуется дополнительный глаз. Но не мышиный: настоящий фасеточный глаз мухи, потому что нижестоящие гены — мушиные. Стартовый сигнал дал мышиный ген, а строился глаз по мушиному плану. Одна и та же программа, разное исполнение: самое глубокое молекулярное свидетельство общего происхождения.

Точка невозврата — или всё же нет?

Когда стволовые клетки специализируются, они принимают определённую идентичность: нервная клетка, мышечная клетка, клетка печени. Этот процесс дифференцировки долгое время считался необратимым. Раз нервная клетка — навсегда нервная клетка: самоусиливающаяся сеть транскрипционных факторов навсегда отключает программу развития других типов клеток и поддерживает собственную. Клетка помнит, чем она является. Идентичность остаётся стабильной даже после тысяч делений.

Но в 2006 году Синъя Яманака показал, что эта стабильность — не непреодолимая судьба. Всего с помощью четырёх транскрипционных факторов — Oct4, Sox2, Klf4 и c-Myc — дифференцированную клетку кожи мыши удалось превратить обратно в индуцированную плюрипотентную стволовую клетку (iPS-клетку): клетку, способную вновь образовать любой тип клеток. Никакого клонирования, никакой яйцеклетки, никакой эмбриональной ткани — всего четыре переключателя, которые «убирают» хроматин и реактивируют исходную программу. За это в 2012 году Яманака получил Нобелевскую премию по медицине.

Что это означает: идентичность клетки — не неизменное состояние, а эпигенетически управляемая программа. При правильных условиях её можно переписать. Это открывает перспективы для клеточной терапии при болезни Паркинсона, сердечной недостаточности и диабете, где утраченные типы клеток можно было бы заменить собственными iPS-клетками пациента без риска реакции отторжения.

Что нарушения развития говорят о системе

У плодовой мушки есть мутант по имени Antennapedia: из-за неправильной экспрессии одного-единственного Hox-гена на голове вместо антенн вырастают полноценные ноги. Нога построена правильно — но не в том месте. Мутация меняет не план строения ноги, а её «адрес»: правильная программа запускается не там, где нужно. Такие гомеозисные мутации показывают, что идентичность сегмента тела определяется не непрерывным процессом, а дискретными переключателями.

У человека нарушения программы развития приводят к таким порокам, как полидактилия (лишние пальцы из-за неправильной передачи сигнала Sonic Hedgehog), расщелина губы и нёба или дефекты нервной трубки. Эти нарушения показывают, насколько точным должно быть временное и пространственное согласование экспрессии генов в эмбрионе — и как много информации уже в первые дни развития определяет форму и функцию.

Сегодня органоиды — миниатюрные органы, выращиваемые из стволовых клеток в лаборатории, — дают прямой взгляд на логику развития. Из немногих стволовых клеток в чашке для культивирования возникают структуры, имитирующие ворсинки кишечника, складки мозга или слои сетчатки. Они следуют той же генетической программе, что и в организме, — и показывают, что план полностью заложен в ДНК.

Переписать план строения — и вернуть старый

Если идентичность клетки — эпигенетически управляемая программа, а Hox-гены работают почти без изменений уже 600 миллионов лет — что произойдёт, если целенаправленно вмешаться в эти программы? Инструмент для этого существует с 2012 года: CRISPR-Cas9, молекулярные «ножницы», которые разрезают и изменяют ДНК в точно выбранном месте. То, что раньше занимало годы, сегодня удаётся за недели — и делает возможными вмешательства, которые ещё недавно были чистой фантастикой.

Самый известный проект — возвращение шерстистого мамонта. Компания Colossal Biosciences работает над тем, чтобы встроить в геном азиатского слона изначально около 60 (сейчас речь идёт уже примерно о 150) ключевых генов — гены густого меха, более толстого слоя жира, холодоустойчивого гемоглобина. При этом слон должен стать не клоном, а генетически изменённым животным с признаками мамонта: достаточно выносливым для сибирской тундры, где вымирание началось около 4000 лет назад. Цель — не ностальгия, а экология: мегафауна, которая вновь уплотняет промёрзшие почвы и тем самым может замедлить оттаивание вечной мерзлоты.

Ещё более непосредственно в генетику развития вмешиваются исследования Chickenosaurus. Птицы — не потомки динозавров, они и есть динозавры, последняя выжившая линия тероподов. Гены зубов, хвоста и трёхпалых когтей всё ещё присутствуют в курином эмбрионе — их лишь подавляют на ранних стадиях развития. Это показали две независимые исследовательские группы: Бхарт-Анджан Бхуллар с коллегами, целенаправленно подавив сигнальные пути FGF и Wnt, получили куриные эмбрионы с временно динозавроподобной мордой вместо клюва; группа под руководством Жуана Ботелью и Александра Варгаса с помощью сигнального пути Indian Hedgehog — родственного Sonic Hedgehog — получила динозавроподобные кости стопы вместо типичной птичьей ноги. При этом ни одно животное не появилось на свет — но доказательство получено: план динозавровых признаков «спит» в геноме птиц, ожидая, когда его снова прочитают.

Все эти проекты объединяет главный принцип генетики развития: фенотип — видимая форма — это не прямое отражение ДНК, а результат программы развития, управляемой переключателями. Тот, кто знает переключатели, может изменить результат. Вопрос давно уже не в том, возможно ли это, а в том, насколько точно, насколько ответственно и — в будущем — насколько далеко.