Исследования темной материи генома продвинулись гораздо дальше, поскольку мы знаем, из чего она состоит (из ДНК), и можем выделить ее и изучить ее свойства прямыми и косвенными методами. Один из наиболее мощных методов изучения некодирующей "темной" ДНК заключается в том, чтобы присоединить ее фрагмент к какому-либо гену, за которым легко наблюдать (например, к гену фермента, участвующего в цветной реакции, или гену флуоресцентного белка, видимого в луче света). Если включить эту конструкцию обратно в геном, а затем проанализировать цветную картинку, полученную с помощью микроскопа, можно понять, какого рода инструкции содержатся в этом фрагменте темной материи (новое пятно здесь, новая полоса там и т.д.). Однако основная часть темной материи ДНК не содержит никаких инструкций, а представляет собой просто "мусорную" ДНК, накопившуюся в процессе эволюции. У человека лишь 2-3% темной материи содержат генетические переключатели, контролирующие работу генов. Вся эта глава будет посвящена тому, каким образом генные переключатели контролируют развитие животных, а в оставшейся части книги мы в основном поговорим о том, как изменения переключателей влияют на ход эволюции.

Принцип устройства генных переключателей я объяснил в третьей главе на примере генетической системы, позволяющей клеткам Е. coli утилизировать лактозу. Вспомните, что у этой бактерии синтез ферментов, необходимых для расщепления лактозы, контролируется генным переключателем. Переключатель состоит из последовательности ДНК, расположенной непосредственно перед последовательностями генов, кодирующих эти ферменты. Когда лактозы нет, белок lac-репрессор связывается со специфической последовательностью переключателя и предотвращает транскрипцию. Когда появляется лактоза, репрессор отсоединяется от переключателя, позволяя включиться гену, продукт которого отвечает за расщепление лактозы.

У животных генные переключатели устроены несколько сложнее: они представляют собой более протяженные последовательности ДНК, способные к связыванию с большим количеством разнообразных белков. Некоторые из этих белков активируют транскрипцию, другие ее подавляют. Переключатели "обрабатывают" сигналы от множества белков и трансформируют их в более простую команду, которую мы наблюдаем в виде трехмерной картины экспрессии генов, такой как полосы и пятна, описанные в предыдущей главе. Важно, что один и тот же ген может регулироваться несколькими переключателями, что позволяет использовать этот ген в разное время и в разных местах, например, при формировании сердца, глаз и пальцев (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Генные переключатели контролируют использование генов в тканях организма. Экспрессия данного гена в сердце, глазах и пальцах рук контролируется независимыми переключателями. Для генов развития характерно наличие множества переключателей, активирующихся при формировании разных частей тела. Рисунок Лианн Олдс.

Существование переключателей расширяет наши представления о том, как работают гены. Говоря о генах, биологи обычно подразумевают исключительно последовательность ДНК, кодирующую белок, который, в свою очередь, совершает работу в клетках. Переключатели ничего не кодируют, они только регулируют процессы на уровне ДНК. Но гену для выполнения своих обычных функций необходима информация, поступающая от всех его переключателей. Таким образом, ген, имеющий три переключателя, состоит из четырех отдельных частей — одна кодирующая и три регуляторные (рис. 5.1). Мутации отдельных переключателей могут приводить к серьезным последствиям на уровне анатомии организма. Я буду по-прежнему использовать слово "ген" в его обычном смысле, подразумевая кодирующую последовательность, и всегда буду уточнять, если речь пойдет о переключателях.

Мы с вами увидели, что гены развития активируются в строго определенных точках в трехмерной координатной системе эмбриона. Но как пространственные координаты эмбриона передаются генам в виде инструкций, заставляющих их включиться или выключиться в определенный момент? Генные переключатели действуют подобно устройствам глобальной системы позиционирования (Global Positioning System, GPS). Подобно тому, как GPS-локатор на корабле, в машине или в самолете определяет местонахождение объекта путем интеграции множества сигналов, генный переключатель интегрирует позиционную информацию о координатах широты, долготы, высоты и глубины эмбриона, а затем указывает место, где ген должен включиться или выключиться. Я продемонстрирую принцип работы переключателей на нескольких примерах. Эти примеры следует воспринимать лишь в качестве фрагментов общей картины развития животных. В общем сценарии участвуют десятки тысяч переключателей, действующих одновременно и по очереди. Но мы не будем пытаться описать всю картину целиком; для нас главное понять логику и специфику механизма действия переключателей.

Основная функция переключателя состоит в превращении существующей картины активности генов в другую, новую картину активности генов. Одна из лучших иллюстраций того, как работают генетические переключатели, — процесс спецификации меридиональных полос экспрессии генов вдоль оси восток — запад у эмбриона дрозофилы. На ранних этапах развития эмбриона широкие полосы, состоящие из 15-25 клеток, экспрессируют белки — продукты определенных генов развития — в определенных областях вдоль оси тела. Белковый продукт каждого гена связывается со специфической последовательностью ДНК, обычно длиной в 6-9 пар оснований. Узнавание белком специфической последовательности ДНК происходит примерно так же, как ключ "узнает" свой замок. В данном случае роль замка играет специфическая последовательность ДНК. Такие последовательности называют "сигнатурными" (от англ. signature — подпись), поскольку белковому продукту каждого гена развития соответствует своя характерная последовательность. Переключатели, контролирующие определенные гены, содержат копии определенных сигнатурных последовательностей. Благодаря этому переключатели связываются с соответствующими белками, но только в ядрах тех клеток, которые находятся в координатах эмбриона, где производятся такие белки. В примере на рис. 5.2 белок А экспрессируется в диапазоне от 20 до 60° восточной долготы (в.д.), белок В — от 40 до 60° в.д., а белок С — от 30° в.д. до 30° западной долготы (з.д.). Белок А является активатором гена X, а белки В и С — его репрессоры. В соответствии с общим правилом, репрессор подавляет действие активаторов, и ген выключается. Переключатель гена Х содержит участки связывания белков А, В и С. В разных точках вдоль оси эмбриона эти участки связывания заняты разными комбинациями белков.

Рис. 5.2. Переключатели интегрируют множество сигналов, трансформируя их в полосу экспрессии гена. Активатор (А) и репрессоры (В и С) экспрессируются в разных координатах; суммарным итогом действия переключателя является узкая полоса экспрессии. Рисунок Джоша Клейса.