Гомеозис и не только

Генетикам давно известны мутации, вызывающие резкие перестройки плана строения организмов, такие как гомеозис (изменение идентичности органов) и гетеротопии (образование обычных органов в несвойственных для них местах). Впервые такая мутация – появление второй пары крыльев у плодовой мушки дрозофилы – была описана К. Бриджесом ещё в 1915 году (она получила название bithorax, см. рисунок). К концу 20 века были подробно изучены гены, регулирующие индивидуальное развитие и формирование отдельных органов у ряда модельных организмов (дрозофилы, мыши, растения арабидопсис и некоторых других). Мутации этих генов и приводят к гомеозисным эффектам, а значит – указывают на возможные причины глубоких морфологических перестроек в эволюции.

Примеры:

Слева: плодовая мушка Drosophila melanogaster (https://www.tmd.ac.jp/artsci/biol/textlife/fruitfly.jpg), один из основных модельных объектов генетики животных. Справа: мутация bithorax у дрозофилы (https://evolution.berkeley.edu/evosite/evo101/IIIC6Development.shtml): превращение третьего сегмента груди в дубликат второго, в результате чего у мухи появляется ещё одна пара крыльев, а также второй желудок.

Мутация antennapedia у дрозофилы (https://fr.academic.ru/dic.nsf/frwiki/112609): вместо усиков (антенн) у мухи формируется пара ног.

Резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana), важнейший модельный объект генетики растений, и её цветок.

Слева: мутант Arabidopsis по гену AGAMOUS: у него не образуются тычинки и плодолистики, а сам цветок может ветвиться подобно вегетативному побегу (https://chieffa.livejournal.com/54677.html). Справа: мутант Arabidopsis по гену APETALA1: на месте лепестков у него формируются тычинки, чашелистики превращаются в листьях, а в их пазухах развиваются цветы следующего порядка (https://www.ndsu.edu/pubweb/~mcclean/plsc731/flower/flower2.htm).

Итак, мутации лишь одного гена могут вызвать резкие изменения в строении дрозофилы и арабидопсиса, а значит и других организмов. Впрочем, подобные эффекты могут возникать и без изменения нуклеотидной последовательности гена – достаточно того, чтобы обычный ген заработал (стал экспрессироваться) в необычном месте и/или в необычное время. Иными словами, морфологические перестройки могут быть обусловлены не только генетическими, но и так называемыми эпигенетическими механизмами, связанными с управлением и регуляцией работы генов; примеры таких перестроек будут приведены ниже. Итак, появление организмов с измененным планом строения – это, можно сказать, «дело техники».