До вашої уваги – ще один матеріал від авторів науково-популярного порталу «Моя наука» у нашій новій рубриці «Дивовижний світ науки». Портал створений для того, щоб з'являлося більше зрозумілих та якісних текстів українською мовою про наукові досягнення та відкриття, про українських дослідників. Тому й автори цієї рубрики – українські науковці у галузі біології та медицини.

Олексій Болдирєв, науковий редактор порталу «Моя наука» my.science.ua

Всім життям будь-якого організму керують гени. Причому починають своє керування вони дуже рано, коли організм складається з однієї або декількох клітин. Побудова більшості наших органів вимагає злагодженої роботи сотень, а то й тисяч генів. Проте є настільки важливі гени, що їхнє вимкнення призводить до зупинки всього розвитку ембріону. Про деякі з таких генів ми й поговоримо.

Якщо дивитися на місце людини в еволюції всього живого, то нам належить лише менше мільйонної частини всього біорізноманіття. Коли ж взятися перелічувати всіх наших найближчих родичів, то нас з ними все одно не так багато. Людина з погляду систематики – примат, представник одного з рядів ссавців. А ссавці – клас підтипу хребетних тварин. Зоологи протиставляють декілька десятків тисяч хребетних (риб, амфібій, рептилій, птахів та ссавців) більше ніж мільйону всіх інших тварин – безхребетних. Ключова відмінність чується вже в самій назві: наявність чи відсутність хребта, ланцюжка спинних кісток. Звідки ж взялася ця унікальна структура, якої нема в більшості тварин?

На ранніх етапах ембріонального розвитку всіх хребетних хребта теж немає. Зате є штука, яку важко розгледіти в дорослому організмі – хорда. Якщо хребет складається з багатьох окремих кістково-хрящових хребців, то хорда є відносно одноманітною товстою струною сполучної тканини, що тягнеться зі спинного боку тіла зародка. Цей орган споріднює всіх хребетних тварин з двома невеликими групами мешканців моря: головохордовими та покривниками. Покривники – це примітивні тварини, які здебільшого ведуть нерухомий спосіб життя та схожі на невеликі діжечки з отворами, що фільтрують воду, відшукуючи в ній поживні речовини та їстівну планктонну дрібноту. При всій своїй несхожості, за даними молекулярно-генетичного аналізу покривники є найближчими родичами хребетних. Спільну хордову долю виказує їхня рухома личинка, яка володіє хордою, нервовою трубкою, органи чуття.

А ось представника головохордових багато з читачів, напевне, пам'ятають ще зі школи. Це ланцетник, морська тварина, схожа на маленьку рибку. Два десятки видів цих хордових зустрічаються у теплих і помірних регіонах Світового океану. Один з видів можна побачити й у нашому Чорному морі. Вчені давно обрали ланцетника за модельний організм для досліджень походження всіх хребетних. Адже він найбільше схожий на нашого викопного предка, що жив більше 500 мільйонів років тому.Організм ланцетника побудований дуже просто, хоча в нього є більшість систем органів, подібних до наших. Замкнена кровоносна система з потовщеною судиною замість серця на черевному боці, дихальні зябра, які омиваються кров'ю для газообміну, подібні до нирок видільні органи метанефридії, нервова трубка на спині, а під нею осьовий скелет – хорда. Хорда ланцетника є суцільним осьовим скелетом, у якому можна побачити окремі епітеліально-м'язові пластинки. При скороченні м'язів хорда стає більш пружною. Уже можна побачити спільну долю хорди й нервової трубки: вони разом оточені сполучноклітинною оболонкою.

Коли видатний французький зоолог Жорж Кюв'є вперше виділив тип хребетних на початку XIX століття, то ланцетника він туди не включив, а залишив серед типу молюсків, до яких його ще раніше відніс німецький натураліст Петер Паллас. Біологи ще півстоліття сперечались про долю нещасної тваринки, поки професор Київського й Одеського університетів Олександр Ковалевський не дослідив детально анатомію ланцетника та не довів його надзвичайну подібність та еволюційну спорідненість з хребетними.

З молюсків до хордових перетягнув він і покривників, акуратно вивчивши їх ембріологію та будову личинки. Ковалевському також належить низка відкриттів у галузі ембріології; зокрема він виявив, що всі без винятку багатоклітинні тварини проходять стадію гаструли в своєму ембріогенезі.

З досліджень Ковалевського та інших учених стало ясно, що безчерепні й головохордові мають з хребетними спільний план будови. Окрім хорди й зябрових щілин, які теж наявні у хребетних в ембріогенезі, спільним є розташування осьових систем органів. Якщо перерізати видовжене тіло ланцетника, риби, ящірки або людини десь посередині впоперек, то на зрізі ми побачимо таку картину. Найвищою, тобто найближчою до спинної поверхні буде спинний мозок або нервова трубка. Далі лежить хребет або хорда, нижче неї розташований шлунково-кишковий тракт. І нижче травного каналу ми побачимо велику судину або серце з аортою.

Саме в такому вертикальному порядку утворюються ці важливі системи органів під час ембріонального розвитку хребетних.

Цікаво, що якщо перерізати точно таким же чином тіло жука, слимака чи дощового черв'яка, то картина буде зворотна: нервова система у вигляді черевного нервового ланцюжка, як видно з назви, лежить унизу, біля черевної поверхні тіла. Вище знаходиться кишка, а біля самої спини знаходиться велика судина – серце безхребетного. А що як хребетні – то ті самі безхребетні, які стали повзати черевом догори? Смішна думка, на перший погляд.

Проте саме таку ідею висловив старший товариш та одвічний суперник Жоржа Кюв'є – французький натураліст Етьєн Жоффруа Сент-Ілер на початку того ж XIX сторіччя.

Тоді Кюв'є розділив усіх тварин на 4 типи: хребетні, молюски, членистоногі та черви.

Мало того, він ще й постулював, що кожний тип має свій особливий план будови, а тому тварини різних типів не споріднені між собою, чим фактично заперечив їх еволюцію та походження від спільних предків. Водночас ідея еволюції дуже імпонувала Жоффруа, тому він якраз шукав механізмів, як від одного плану будови перейти до іншого. Якщо для червів, членистоногих та молюсків спільні риси вдавалося знайти, то хребетні відрізнялися занадто сильно. Але Жоффруа-таки звернув увагу на розташування нервової та кровоносної системи й вирішив побудувати на цьому хиткому грунті перехід між типами. Кюв'є майстерно висміяв свого колегу під час серії дебатів у Французькій Академії наук, пирскали від цієї «гіпотези інверсії» зоологи, ембріологи та еволюційні біологи наступні півтора століття: це ж треба таке вигадати, ніби еволюція йде такими простими шляхами, взяв – і став повзати на спині!

Однак успіхи молекулярної біології за останні 40 років почали змінювати баланс на користь Жоффруа. Як ми казали на початку, розвиток того чи іншого органу залежить від ансамблів генів, серед яких завжди є найважливіші. Так для появи нервового ланцюжка у дрозофіли потрібна активація роботи генів vnd, indіMsh, які починають працювати в клітинах черевної зони ембріона цієї улюбленої мухи генетиків. Тоді як у зародку миші їхні гомологи Nk2, Gsh1,2 і Msx1,3 роблять те ж саме, але в клітинах, які лежать ближче до спини. Ген netrin майже однаковий у комах і ссавців, і однаково визначає середину осі нервової системи, лише працює на черевній стороні у перших і на спинній у других. Та ж історія з генами, які запускають формування серця. Ген tinman/csk у дрозофіли починає працювати під дорзальною поверхнею ембріона, де невдовзі почне розвиватися серце, а активація його гомологу Nkx2-5 у миші передує початку формування серця на черевному боці1.

Отже молекулярна біологія підтримує старого Жоффруа та цілком припускає можливість еволюційної інверсії. Хоча противники цієї гіпотези теж не здаються: щоб було, що перевертати, останній спільний предок хордових та комах повинен був мати й серце, і осьову нервову систему. Але за нашими сьогоденними уявленнями, це була значно більш примітивна тварина, без таких прогресивних органів. Чи могла вона мати гени, що потрібні для роботи серця або мозку, якщо самі органи в неї не формувалися?

Виявляється, така ситуація не виключена, сьогодні відомо багато прикладів таких преадаптацій, «еволюційних передбачень». Ген з'являється, виконує певну функцію, але в певних умовах змінює свою «професію» та стає вкрай важливим для чогось іншого. Саме так працював таємничий ген Т, ще відомий під назвою Brachyury, диригент формування хорди в ембріогенезі хребетних.

Невідомо, як довго б ми мучились загадкою ембріонального формування хорди, якби не одна жінка. Киянка Надія Добровольська, яку буремна доля закинула аж у Париж, відкрила ген Т у кінці 1920-х років, коли ніхто в світі ще достеменно не уявляв, що таке гени.

Слід сказати, що навряд чи пані Надія, навчаючись у Фундуклеївській гімназії біля сучасної станції метро «Театральна», думала про досліди з ембріонами мишей, генетику й радіобіологію. У 1899 році вона поїхала до Петербургу за іншим: вона бажала стати лікаркою. Справа в тому, що жінки в Російській імперії не могли навчатися в університетах. Але в кінці XIX століття з'явився перший щасливий виняток, Жіночий медичний інститут. У ньому й вивчилася на хірурга Надія Добровольська. Вона стала першокласною спеціалісткою: оперувала, викладала хірургію, проводила наукові дослідження і навіть описала (незалежно від німецьких медиків) хірургічний симптом, названий на її честь2. Вже під час Першої світової війни Добровольська стала першою жінкою, яка очолила кафедру хірургії.

 А далі – падіння Російської імперії, громадянська війна. Надія Добровольська за сумним збігом опинилася в лавах Добровольчої же «білої» армії. Разом з розгромленими військами вона евакуювалася з Криму до Єгипту, де деякий час оперувала у таборі біженців прямо посеред пустелі. В якийсь момент доля посміхнулась їй, вдалося дістатися Франції, оселитися в Парижі разом з чоловіком, письменником Завадським. Але у Франції діяв суворий закон: іноземні лікарі не мали права вести медичну практику, поки не отримають місцевий диплом. Надії Добровольській-Завадській було вже 43, вчитися 5 років в університеті не було ані часу, ані грошей. На щастя, вона довідалась, що Інститут Радію славетного подружжя Кюрі відкриває лабораторію з вивчення дії радіаційного випромінення на живі організми. Туди вона й пішла лаборанткою, круто змінивши тематику своєї наукової роботи3.

Професор Клод Рего, який очолював лабораторію радіобіології, поставив Надії Олексіївні ризиковану на той час задачу: опроміненням викликати мутації у мишей та описати функцію порушених генів. Сьогодні ми знаємо, що радіація викликає мутації в генах, але на початку 1920-х років учені не мали однозначних доказів цього. Крім того, генетики переважно працювали з дрозофілами – комахами, які живуть недовго та швидко розмножуються, що потрібно для статистичного аналізу. Втім, Добровольська-Завадська рішуче взялася за справу. Вона опромінювала яєчка самців мишей та отримувала від них нащадків. Методом схрещувань вона отримала близько 3000 мишей, у яких шукала проявлення мутацій.

Одну з таких мутацій вдалося зловити. Її носії мали дуже короткі хвости. Через це Добровольська-Завадська назвала її Brachyury, з грецької «короткий хвіст», а також T – від англійського «tail», «хвіст». Вона спробувала вивести чисту лінію мишей, яка б несла цю домінантну мутацію в обох хромосомах, але не виходило. При схрещуванні двох гетерозигот (тобто носіїв одного мутантного й одного звичайного гену) замість співвідношення 3:1 між короткохвостими й нормальними нащадками, як слідувало б з другого закону Менделя, Добровольська спостерігала співвідношення 2:1. Значить, подумала вона, щось стається з чвертю мишат і вони не народжуються. Дослідивши ембріональний розвиток мишей з мутацією, вона виявила, що деякі зародки дійсно припиняють розвиток на ранній стадії, перетворюються на купку клітин та гинуть.

Надія Добровольська зрозуміла, що наштовхнулася на щось дуже важливе. Вона продовжила вивчати подібні мутації у лабораторних та диких мишей. Їй вдалося знайти ще декілька мутацій, які впливали на форму і довжину хвоста. Деякі з них виявляли свій ефект лише при наявності в тварини паралельної мутації в гені Brachyury.

Не маючи технічної можливості проникнути до серцевини клітини, щоб зрозуміти сутність процесів, що відбуваються при мутаціях, Добровольська все ж зробила геніальну здогадку. Разом зі своїм співробітником, також емігрантом, біохіміком Миколою Кобозєвим, вона припустила, що Brachyury є головним регулятором формування хребта й хвоста, а інші гени відповідають за форму та розмір органу. На той момент генетика й ембріологія розвивались окремо, тому така гіпотеза лишилася непоміченою. Але саме так сучасна біологія розвитку й уявляє формування органів в ембріогенезі.

 У 1933 році Добровольська-Завадська передала своїх короткохвостих мишей американським дослідникам Чеслі й Данну для подальшого вивчення, а сама зайнялася роллю генів у ракових пухлинах. Саме дослідження американських ембріологів показали, що при порушенні роботи обох генів Brachyury в зародка не відбувається появи хорди, а гетерозиготи з одним поламаним геном мають дефекти в її формуванні. У 1990 році було прочитано послідовність цього гену, а надалі точно вивчено його активацію в ембріогенезі. Отже, T-ген – це транскрипційний фактор, білок, який сідає на ДНК та активує зчитування багатьох генів. А вже ці гени починають працювати для утворення хорди.

Навіщо ж хребетним потрібна ця хорда? Ми ж не ланцетники, в дорослому стані її не маємо. Хорда потрібна в ембріогенезі для формування передньо-задньої осі тіла. Хорда впливає на утворення нервової трубки та на диференціацію навколишньої мезодерми. Вона є важливим організатором розвитку ембріона. Ген Brachyury у ссавців задіяний лише на стадії гаструляції та формування хорди, обмежений майже виключно клітинами хорди та ранньої мезодерми. У риб і амфібій цей ген експресується у хорді та навколо первинного рота (бластопору) при гаструляції. У покривників він також наявний лише в хорді. Подальші дослідження виявили цей білок у формуванні задньої кишки дрозофіли, у голкошкірих він знаходиться у клітинах навколо бластопору4.

Довгий час вважалося, що ген Brachyury наявний лише у тварин, як мають третій зародковий листок, мезодерму. Проте на початку 2010-х його знайшли в кишковопорожнинних, а потім у деякий амеб і грибів. Більше того, вимкнувши Brachyury у зародка жаби, дослідникам вдалося відновити нормальний розвиток вставленням до ембріону гена з амеби! Це свідчить про високу консервативність білка, хоча функція його в одноклітинних організмів залишається неясною. Втім, я певен, що вже невдовзі й цю таємницю науковий загін людства неодмінно розкриє.

  1. J. Gerhart. Inversion of the chordate body axis: Are there alternatives? Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 Apr 25; 97(9): 4445–4448.
  2. Симптом Добровольської-Ніколадоні полягає у зменшенні пульсу при стисканні артеріовенозної аневризми.
  3. Про це все ми дізналися завдяки українському професору Інституту клітинної та молекулярної біології (Сингапур) Володимиру Коржу, який дослідив біографію Надії Добровольської-Завадської. V. Korzh, D. Grunwald (2001). Nadine Dobrovolskaya-Zavadskaya and the dawn of developmental genetics. BioEssays 23 (4), 365–371doi:10.1002/bies.1052.
  4. Satoh, Nori; Tagawa, Kuni; Takahashi, Hiroki (2012). How was the notochord born?. Evolution&Development 14 (1), 56–75. doi:10.1111/j.1525-142X.2011.00522.x