7. Гены — господа и гены — рабы. Опыты Вальтера Геринга

Поскольку дифференциальная транскрипция обеспечивает­ся взаимодействием продуктов многих регуляторных генов, контролирующих в конечном итоге функциональное состояние соответствующих участков ДНК, было выдвинуто предположе­ние о существовании «супер»-регуляторных генов, способных запускать каскады генов, последовательно реализующих, в кон­це концов, программу специфической клеточной дифференци-ровки.

Для таких генов шведский цитолог Ян-Эрик Эдстрем еще в начале 60-х годов предложил термин «Master Genes» (Гены — господа), а для контролируемых ими структурных генов соот­ветственно — «Slaves Genes» (Гены — рабы).

Выдающийся швейцарский эмбриолог и генетик Вальтер Ге­ринг проверил эти соображения экспериментально. Он исполь­зовал в своих опытах интересную модельную систему. С помощью микроинъекций генно-инженерных конструкций получали два типа линий трансгенных дрозофил.

В геном первого типа вводили так называемую GAL4 ДНК-систему, где она попадала под разные геномные тканеспецифические регуляторные участки и, следовательно, активировалась в разных участках тела мухи. GAL4 — это дрожжевой активатор транскрипции и подобный же эффект он может оказывать, бу­дучи помещенным в геном дрозофилы. Однако его влияние распространяется лишь на те гены, перед которыми расположе­на так называемая последовательность UAS (upstream activating sequence).

В геном второго типа трансгенных дрозофил как раз и вво­дили эту последовательность. Если к ней прицепить еще и ре­портерный ген бактериальной галактозидазы (фермент угле­водного обмена), то можно с помощью окрашивания специаль­ным реактивом обнаружить, где эта последовательность будет активирована в результате воздействия продукта GAL4.

Геринг скрещивал эти два типа линий между собой, причем к UAS-последовательности в качестве репортерного был присоединен ген «безглазости» eyeless, мутация которого вызывает отсутствие глаз у мухи (потому-то Геринг и предположил, что этот ген запускает серию генных взаимодействий, осуществляющих реакции образова­ния глаза).

Легко заметить, что в такого рода опытах могут получаться сочетания, в которых ген eyeless будет активироваться в необычных местах. Это связано с тем, что GAL4 у разных линий оказывался под контролем разных регуляторных последовательностей ДНК, каждая из которых характеризуется тканевой специфичностью своего проявления, т. е. активирует гены в каком-то одном отделе раз­вивающегося зародыша. В результате швейцарскому генетику удалось получить мух, у которых наблюдалось развитие глаз в самых невероятных местах — на ноге, крыльях, антенне. Более того, тот же самый эффект достигался и в тех случаях, ко­гда вместо гена eyeless дрозофилы использовался гомеобокссодержащий ген Small eye мыши, сходный с геном eyeless.

Американские эмбриологи доказали, что подобный эффект может быть получен и у позвоночных животных. Оказалось, что перемещенный ген, отвечающий за развитие внутренних структур глаза (Рах6), обуслов­ливал формирование хрусталиковых волокон, фоторецепто­ров и других структур глаза в необычном месте. Таким образом, ген Рах6 необходим для запуска каскада генов, контролирующих формообразова­тельные процессы глаза как у дрозофилы, так и у позвоночных животных.

Были сделаны следующие выводы:

1. Действительно существуют «гены — господа» и «гены — рабы».

2. Сложнейшая морфогенетическая реакция, завершающая­ся формированием целого органа, может быть запущена одним, «главным» геном, который, следовательно, является ответст­венным за процессы формообразования, разрешая или запре­щая (в случае мутации) целый сложный комплекс событий.

3. Формообразовательные процессы основываются на моле-кулярно—генетических событиях, специфика формы обусловливается последовательностью тканеспецифических и органоспецифических синтезов, разрешенных активацией «главного» гена.

4. Соответствующие молекулярно-формообразовательные системы являются высоко консервативными и обеспечиваются в высшей степени сходными молекулярно-генетическими системами у самых разнообразных организмов.

5. Следует, очевидно, расстаться с широко распространен­ной идеей неких специфически биологических полей, берущей начало с Аристотеля и утверждающей, будто формообразова­тельные процессы определяются особыми электромагнитными полями, лежащими вне развивающейся системы. Допускалось, таким образом, наличие двух независи­мых «сил», регулирующих процессы индивидуального развития — генетических, которые контролируют молекулярные процес­сы, и «механических» (биополе), которые контролируют стано­вление формы организма.

В действительности же оправдалось предсказание Томаса Гента Моргана о том, что развитие формы напрямую связано с функ­цией генов и со специфичностью их продуктов, из взаимодей­ствия которых и складывается путь от специфики молекул к специфике формы. Следовательно, формообразовательные со­бытия зависят от внутренних процессов, а не от таинственных внешних сил, воплощенных в несуществующих «биополях». И совершенно очевидно, что ключевая роль в этих процессах при­надлежит гомеозисным генам.

Таким образом, развитие эмбриона на всех этапах, начиная с созревания яйцеклетки, контролируется генами. Прообраз бу­дущего организма складывается под влиянием продуктов генов материнского организма, передаваемых в яйцеклетку из мате­ринских питающих клеток. Эти клетки расположены на по­верхности яйцеклетки неравномерно, и потому их продукты распределяются в ней по градиентам, создавая полярность бу­дущего организма и «размечая» его головной и хвостовой кон­цы. Эти продукты активируют собственные гены яйцеклетки и развивающегося зародыша в разных его отделах.

Среди этих генов особо выделяются так называемые «гены — господа», от которых зависят формообразовательные процес­сы, строящие различные органы и ткани, что достигается вклю­чением «генов — рабов», которые синтезируют ткане- и органоспецифические продукты. Разные сочетания таких про­дуктов обеспечивают возникновение специфической организа­ции развивающегося организма.