Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия - [18]

На заре генетики было принято считать, что один ген соотносится с одним ферментом. Джордж Бидл, Эдуард Тейтем и Джошуа Ледерберг даже получили Нобелевскую премию в 1958 году за эту занимательную теорию, которая хоть и звучит правдоподобно для простых одноклеточных, таких как бактерии, но не работает в случае более сложных организмов. Современную трактовку подлинного характера того, как гены управляют сложными фенотипами, изложил Аллан Вильсон в 1970-х годах в Калифорнийском университете в Беркли. Вместе с коллегами в своей лаборатории Вильсон обнаружил, что, хотя морфология и поведение людей и шимпанзе сильно отличаются, их белковые составы схожи. Ученые пришли к выводу, что огромные морфологические и поведенческие различия между организмами не были результатом простых изменений в структуре белков. И выдвинули гипотезу о том, что, напротив, для создания фенотипических модификаций в эволюции изменения в регуляции генов были гораздо важнее, чем простые точечные мутации. Давайте рассмотрим, например, размещение глаз на лицах организмов и, следовательно, управление полем зрения у позвоночных.

Влияние генной регуляции на структуру организма позвоночных стало одним из наиболее важных открытий в биологии за несколько последних десятилетий. И в некотором смысле это явление также связано с восприятием, поскольку клетки в развивающемся черепе должны распознавать, где они находятся относительно развивающегося поля других клеток. Восприятие осуществляется почти так же, как у одноклеточных организмов при контактах с внешним миром: молекулы подают клетке сигналы и дают ей понять, где именно она находится, а это «понимание», в свою очередь, говорит клетке, что она должна сделать. Подобная передача сигналов похожа на сильно усложненную версию чувства кворума. Сигнальные молекулы работают, связываясь с другими молекулами в клетке. Для тех сигнальных систем, что требуют точного развития структур в организме позвоночных, количество присутствующих рядом с клеткой сигнальных молекул и будет определять то, что клетка делает. Это проистекает из того, что сигнальные молекулы работают за счет градиентной диффузии. Как правило, гены в клетках имеют разные концентрации специфических сигнальных молекул, которые надо включить или отрегулировать, чтобы началось производство белков. Если есть изменение в концентрации, которая заставляет ген выкачиваться из продукта реакции, то градиент сигнальной молекулы вызовет различные результаты на одном конце градиента (скажем, на конце с низкой концентрацией) по сравнению с другим концом градиента (конец с высокой концентрацией).

Этот сценарий в основном и определяет местоположение глаз на голове у позвоночных. Сигнальная молекула, о которой идет речь, была впервые обнаружена у Drosophila melanogaster (плодовой мушки дрозофилы), а уже впоследствии и в геномах позвоночных животных. Гены, продуцирующие белки и взаимодействующие с этой сигнальной молекулой, названы в честь ежа. Из эмбрионов ежей-мутантов, имеющих какие-то отклонения, рождаются неказистые, маленькие, волосатые существа, умирающие еще на ранней стадии развития. В вакханалии глупых названий генов (а биологи, изучающие дрозофил, пожалуй, превзошли в этом всех) поучаствовала и одна из важных сигнальных молекул, окрещенная Sonic Hedgehog (Shh) в честь мультяшного персонажа видеоигры. Другим генам тоже дали «ежиные» имена: индийский еж, пустынный еж и даже еж ухти-тухти (Беатрис Поттер)[9]. Но здесь мы рассмотрим только Shh. Чтобы объяснить сложную цепочку событий, я использую элегантный способ Томаса Джессела, представленный во вставке 3.2 и на рисунке 3.2.

3.2 Как делать циклопов

Сигнальная молекула Sonic Hedgehog (Shh) создает градиент в эмбрионе позвоночных, который контролирует ряд генов, определяющих тип клеток в развивающемся мозге и черепе. На рисунке показан градиент на самой выступающей части лица. Светло-сероватые полосы на диаграммах показывают, где Shh экспрессируется. На крайнем левом изображении этот сигнальный белок включен на полную мощность у нормально развивающегося эмбриона. Он сигнализирует о производстве всех белков, и все они производятся (белый, светло-серый, темно-серый и черный), тогда место для нормального развития глаз образуется где и следует – выше черного белка. Ближайший к Shh серый белок для экспрессии нуждается в наибольшем количестве Shh, а белку других оттенков серого, а также белому и черному белкам необходимы промежуточные количества Shh. На втором изображении часть Shh убрана. Когда это происходит, светло-серый белок, ближайший к белку Shh, не экспрессируется, как показано на третьей панели. По мере того как Shh уменьшается, белые, светло-серые и черные гены не получают достаточного количества Shh для включения, и поэтому их активность снижается, как показано на четвертом изображении. Пятое изображение демонстрирует результат, когда весь градиент Shh удален, а на шестом мы видим, что поле, где располагается глаз, переместилось в самую нижнюю часть развивающегося мозга и один глаз перекрывает другой, создавая существо, похожее на циклопа.