У примитивных позвоночных во время эмбрионального развития гены работают так, как если бы их мозг был намного сложнее, чем он есть на самом деле.

В эволюции бывает так, что молекулярно-генетический аппарат, необходимый для формирования какой-нибудь структуры (например, части тела) появляется задолго до того, как эта самая структура возникает в явном виде. Как раз такой случай описывают в своей статье в Nature исследователи из Института медицинских исследований Стауэрса (США), изучавшие генетическое устройство морских миног. Миноги, хотя и относятся к позвоночным, в эволюционном смысле находятся на самом «дне» группы, и вместе с миксинами их объединяют в надкласс бесчелюстных. Они действительно сильно отличаются от привычных нам позвоночных: у них, например, нет костной ткани, позвоночник и череп недоразвиты, нет челюстей (потому их и назвали бесчелюстными). Среди позвоночных они считаются одним из самых древних представителей, возникшими задолго до рыб. Часто их вообще исключают из позвоночных, однако рассматривают как группу, из которой позвоночные возникли.

Морская минога с открытым ртом. (Фото Visuals Unlimited / Corbis).

Зародыш миноги со светящимися белками в формирующемся мозге. (Фото Stowers Institute for Medical Research).

Рабб Крумлауф (Robb Krumlauf) и его коллеги изучали работу гомеозисных генов миног при закладке в их организме заднего мозга. Гомеозисные гены (или Hox-гены) определяют процессы роста и дифференцировки тканей, определяют членение тела зародыша на сегменты, и во время индивидуального развития они указывают, где нужно сформировать ту или иную часть тела: ногу, крыло, глаз, где будет хвост, где – голова и т. д. Можно сказать, что Hox-гены чертят план тела, и, например, в формирующейся голове от них зависит сегментация мозга.

Задний мозг, за которым наблюдали авторы работы, представляет собой сложный (хотя и древний) комплекс, куда входят мозжечок, ретикулярная формация (где находится центр засыпания) и другие структуры. У рыб он уже довольно сложно дифференцирован, но у миног, которые появились за 400 млн лет до рыб, он относительно прост и даже не сегментирован. Тем не менее, гены миног работают так, как если бы задний мозг обладал намного более сложным строением.

Сначала биологи внедрили в мышей и рыб Danio rerio флуоресцентный белок, снабжённый регуляторными последовательностями Hox-генов. Там, где были активны настоящие Hox-гены, там же активировался и светящийся белок. Таким образом, исследователи получили портрет генетической специфической активности гомеозисных генов при формировании заднего мозга у мышей и рыб.

Когда ту же самую операцию провели с миногами, то получили ту же самую картину: в голове у них Hox-гены работали с теми же особенностями, что и у «настоящих» позвоночных. Хотя ожидалось, что гены тут вообще вряд ли будут работать у миног, а не то что обозначать отделы мозга. Более того, с помощью мутаций удалось выяснить, что у них в активации гомеозисных генов задействованы те же молекулярно-сигнальные пути, что и у мышей. Можно сказать, что молекулярно-генетический «чертёж» для будущих структур в заднем мозге позвоночных был создан заранее, ещё у предковых миногоподобных форм (причём под чертежом тут нужно понимать не просто наличие необходимых генов, но и схему их активации). Через миллионы лет такой «чертёж» получил возможность воплотиться в реальности. Правда, возникает вопрос, для чего такие гены активируются заранее.

Это далеко не единственный пример молекулярно-генетической предусмотрительности эволюции. Несколько лет назад в Nature выходила похожая работа, в которой исследователи из Чикагского университета (США) описали у полухордовых животных комплекс сигнальных белков, необходимых для формирования мозга в целом. Здесь опять же речь идёт о готовой молекулярной системе управления, которая появилась у организмов, вообще считающихся переходным звеном между иглокожими и хордовыми.