Исследователи сосредоточились на задних Hox-генах (от 10-го до 13-го). Главными объектами исследования были хлыстохвостая ящерица Aspidoscelis uniparens и маисовый полоз Elaphe guttata. Кроме того, были отсеквенированы Hox-кластеры нескольких других ящериц, гаттерии и черепахи. Для сравнения использовались Hox-кластеры курицы, человека, мыши и лягушки.
Набор задних Hox-генов у всех исследованных видов оказался одинаковым, если не считать того, что у змей и лягушек «потерялся» ген Hoхd12 (12-й Hox-ген из кластера D). Важные изменения были обнаружены в регуляторных участках Hox-кластеров. Оказалось, что все чешуйчатые рептилии утратили регуляторный участок между генами Hoхd13 и Evх2[97], а змеи вдобавок потеряли консервативный некодирующий элемент между Hoхd12 и Hoхd13 и некоторые регуляторные участки в других Hox-кластерах. Неожиданным результатом оказалось присутствие в Hox-кластерах чешуйчатых множества встроившихся мобильных генетических элементов. В результате общая длина задней части Hox-кластеров у чешуйчатых значительно выросла по сравнению с другими наземными позвоночными.
Все это, по-видимому, говорит о том, что у чешуйчатых ослабли эволюционные ограничения, препятствующие накоплению изменений в задней части Hox-кластеров. Очищающий отбор, отбраковывающий подобные изменения у других позвоночных, в эволюции ящериц и змей действовал менее эффективно. Этот вывод подтвердился и в ходе анализа кодирующих участков Hox-генов. В этих участках у ящериц, и особенно у змей, по сравнению с другими позвоночными накопилось много значимых замен. Одни из них, по-видимому, зафиксировались случайно, из-за ослабления очищающего отбора, тогда как другие закрепились под действием положительного отбора, т. е. были полезными.
Изучение характера экспрессии задних Hox-генов у эмбрионов ящерицы и полоза подтвердило предположение о том, что изменения плана строения в эволюции чешуйчатых были тесно связаны с изменениями в работе задних Hox-генов.
У ящерицы, как и у других наземных позвоночных, передний край области экспрессии генов Hoxa10 и Hoxc10 в точности соответствует границе между грудным и поясничным отделами. Одной из функций этих генов является подавление развития ребер. У змей нет поясничного отдела, а на бывших крестцовых позвонках (у змей они называются клоакальными) имеются особые раздвоенные ребра. По-видимому, эти особенности связаны с тем, что Hox-гены у предков змей утратили способность останавливать рост ребер.
Область экспрессии Hoxa10 и Hoxc10 у полоза заходит далеко в грудной отдел. Эти гены отвечают также за своевременное прекращение роста грудного отдела. По-видимому, эта их функция у змей тоже ослаблена, что могло быть одной из причин удлинения грудного отдела у змей по сравнению с их предками — ящерицами. Удлинение хвостового отдела у змей связано с тем, что из четырех генов, «тормозящих» рост хвоста у ящериц (Hoxa13, Hoxc13, Hoxd13, Hoxd12) один ген у змей полностью утрачен (Hoxd12), а два других (Hoxa13, Hoxd13) не участвуют в передне-задней «разметке» эмбриона и используются только в формировании половых органов.
Многочисленные случаи независимой утраты и частичной редукции конечностей у чешуйчатых тоже могут быть связаны с тем, что в этом отряде задние Hox-гены получили нетипичную для других животных эволюционную «свободу». На них стал слабее действовать очищающий отбор, что позволило быстро накапливать мутации.
Области экспрессии задних Hox-генов у ящерицы и змеи. У ящерицы перед хвостовыми позвонками расположены два крестцовых (показаны темно-серым цветом), затем следует один рудиментарный поясничный позвонок (белый), а дальше идут грудные позвонки (серые). У змеи нет поясничного отдела, а вместо крестцовых имеются четыре клоакальных позвонка с раздвоенными ребрами (темно-серые). Вертикальными прямоугольниками показаны области экспрессии задних Hox-генов. Из Di-Poi et al., 2010.
Известно, что задние Hox-гены играют ключевую роль не только в оформлении задних отделов туловища, но и в развитии конечностей. Поэтому некоторые мутации этих генов, ведущие, например, к удлинению тела или к редукции поясничного отдела, теоретически могут приводить и к таким побочным эффектам, как редукция конечностей. Удлинение тела в сочетании с редукцией конечностей встречается и в других группах позвоночных (например, у некоторых амфибий). Было ли это связано с такими же изменениями в работе Hox-генов, как у змей, или с другими, покажут дальнейшие исследования.
Эволюционная биология развития — быстро развивающаяся дисциплина, от которой следует ожидать важнейших научных прорывов. Расшифровка генно-регуляторных сетей, управляющих развитием, — одна из самых насущных задач биологии. Ее решение позволит понять не только соотношение между генотипом и фенотипом, но и важнейшие правила и закономерности эволюции сложных организмов. Когда эти правила, известные нам сегодня лишь в общих чертах, будут изучены досконально, вплоть до построения строгих математических моделей, перед человечеством откроются небывалые возможности. Проектирование «с чистого листа» биологических систем с нужными нам свойствами — лишь одна из них. Другая — совершенствование нашей собственной природы. Все это будет. Нужно лишь четко уяснить, для каких целей это нужно будущему человечеству, и надеяться, что культурное, социальное и морально-этическое развитие человечества к тому времени исключит возможность использования этих открытий во вред.
Мы постарались в этой книге показать, как в ходе развития земной жизни появляются новшества: новые гены, новые признаки, новые виды, — которые в свою очередь могут дать целые букеты следующих поколений видов. Мы рассмотрели множество фактов и исследований, подтверждающих справедливость дарвиновской эволюционной модели, обогащенной, уточненной и детализированной благодаря достижениям генетики, молекулярной биологии, палеонтологии, биологии развития и других дисциплин. Как ни удивительно, Дарвину удалось более полутора веков назад, не зная всех этих удивительных фактов, правильно угадать главный механизм, благодаря которому наша планета оказалась населена «бесчисленными прекрасными и удивительными формами». Дарвин был прав, когда предположил, что творцом поразительной приспособленности и волнующего разнообразия живых существ является естественный отбор небольших наследственных изменений.
Дарвиновская модель в ее современном понимании состоит из нескольких составных блоков — механизмов и факторов эволюционных изменений. Перечислим самые важные.
• Размножение в геометрической прогрессии, в основе которого лежит способность молекул ДНК и РНК к копированию — репликации.
• Генетическая изменчивость, случайная и ненаправленная (в том смысле, что полезность или вредность мутации не влияет на вероятность ее возникновения). Дает материал для эволюционного «поиска», для выбора методом проб и ошибок. Основана на том простом факте, что никакая система копирования не может быть абсолютно точной.
• Наследственность, т. е. передача потомкам не только «общеродовых характеристик», но и индивидуальных генетических особенностей родителей, — обещает сохранить то, что прошло испытание жизнью и смертью.
• Естественный отбор — зависимость выживания и размножения организмов от их наследственных свойств. Такая зависимость автоматически ведет к распространению генетических вариантов, обеспечивающих наиболее эффективное выживание и размножение.
• Генетический дрейф, не позволяющий эволюции остановиться, даже когда отбор слабеет или вовсе прекращается.
• Секс, т. е. перекомбинирование фрагментов наследственной информации разных организмов, — важнейший катализатор и ускоритель эволюции, без которого она едва ли смогла бы даже стартовать.
• Репродуктивная изоляция с ее многочисленными вариантами и механизмами (начиная от основополагающей связи вероятности гомологичной рекомбинации со степенью сходства последовательностей ДНК и вплоть до сложнейших алгоритмов выбора брачного партнера) — основной двигатель видообразования, фактор, ответственный за рост и сохранение удивительного разнообразия жизни.
