Matka Natura – ta antropomorficzna wersja procesu nazwanego przez Charlesa Darwina doborem naturalnym – potrafi dokonywać cudów, jakich choćby marnej namiastki nigdy i nigdzie nie dokonał żaden z rozlicznych mesjaszy, magów, szamanów i innych pretendentów do władania siłami nadprzyrodzonymi; obojętne – zmyślonych, czy istniejących realnie. Jej dzieła są na tyle spektakularne, że bardzo wielu spośród nas nie jest w stanie uwierzyć w ich naturalne pochodzenie i dostrzega akt sprawczy wyższej instancji, Demiurga. Samo to świadczy o skali dokonań Natury. I gdybym miał wybrać jedno z nich, bez wahania wskazałbym na coś, co nie znajduje żadnej ludzkiej analogii: powstanie złożonego organizmu z możliwie prostej, niezróżnicowanej struktury zwanej komórką jajową. To tak, jakby mała kupka złomu, bez żadnej ingerencji z zewnątrz, samodzielnie przeobraziła się w inteligentną, samo stanowiącą maszynę. Takie rzeczy zdarzają się w tylko Hollywood.
Ta pierwsza komórka posiada pewną zdolność, obcą komórkom somatycznym – totipotencję. Zdolność do różnicowania się. Zdolność tę niejako przekazuje komórkom powstałym w wyniku pierwszego i następnych podziałów mitotycznych, czyli blastomerom. Te z kolei formują się w morulę, a potem w blastocystę. Dzięki totipotencji komórki w tych stadiach zarodkowych mogą ukierunkować dalsze różnicowanie w dowolną komórkę: składową serca, trzustki, skóry, mózgu… Jest to możliwe także dlatego, że każda komórka niesie w sobie pełną kopię genomu; kompletny przepis na organizm, którym wraz z siostrami ma się stać.
Ale skąd komórka „wie”, w co się różnicować? Coś musi narzucać coraz bardziej szczegółowy wzorzec rozwijającej się strukturze, jaju. Musi istnieć plan i to wewnątrz jaja. Taki plan istnieje, a proces jego wdrażania kontroluje grupa genów homeotycznych umiejscowionych na chromosomie 12, zwanych genami HOX.
W latach 70-tych w Niemczech Jani Nusslein-Volhard i Eric Wieschaus hodowali tysiące muszek owocowych. Celowo doprowadzali do mutacji w kolejnych pokoleniach i obserwowali efekty. Skupili się na tych, u których kończyny, skrzydła i inne części ciała wyrastały w niewłaściwych miejscach. Z pewnych analogii i konsekwentnych wzorów zmian wywnioskowali, że geny kierujące rozwojem działają hierarchicznie, segregują zarodek na coraz mniejsze sekcje, aby tworzyć coraz więcej szczegółów. Co więcej, każdy z 8 genów HOX wpływał na inną część ciała muszki i były one uszeregowane w tej samej kolejności co części ciała muszki, na które wpływały. Pierwszy gen sterował rozwojem otworu gębowego, drugi części twarzowej, trzeci czubkiem głowy, czwarty „szyją”, piąty tułowiem, szósty odwłokiem, siódmy tylną częścią odwłoka. Wszystkie geny leżały we właściwej kolejności w chromosomie. To nie mógł być przypadek; zwykle nie ma żadnego porządku w umiejscowieniu genów, porozrzucane są one bez ładu i składu po chromosomie. Wszystkie także wyposażone były w ten sam akapit tekstu o długości 180 liter kodu genetycznego. Nazwano go homeoboxem. To dzięki niemu białko kodowane przez gen przywiera do nici DNA, aby włączyć lub wyłączyć geny. Stało się jasne, ze wszystkie geny HOX są genami zdolnymi do włączania i wyłączania innych genów. Homeobox to genowe wtyczki. Łatwo je wyszukać wśród innych ciągów kodu. Dzięki temu wkrótce geny HOX odnaleziono u myszy (4 zestawy zamiast jednego). Pierwszy gen HOX u muszki owocowej z grupy zwanej lab jest bardzo podobny do pierwszego genu HOX z każdej z grup u myszy – i to samo odnosi się do każdego z pozostałych genów HOX. Muchy i myszy mają wspólnego ewolucyjnego przodka.
Ludzie mają dokładnie te same grupy genów HOX, co myszy – jest ich 39. Na poziomie molekularnym jesteśmy zmodyfikowanymi muszkami owocowymi. Dwie pary genów Otx i Emx zaangażowanych w tworzenie mózgu myszy mają swój odpowiednik u muszki owocowej. Gen eyeless odpowiedzialny za powstanie oczu u muszki jest identyczny jak gen pax-6 niezbędny do wytworzenia oczu u myszy. To, co dotyczy myszy i muszek, dotyczy i innych gatunków, dotyczy i ludzi. Wszystkie gatunki na Ziemi są wariacjami na temat, zapoczątkowanym kilkaset milionów lat temu w prekambrze. Ponieważ kod genetyczny jest uniwersalny, zastępuje się geny muszki analogicznymi genami człowieka i muszka prawidłowo się rozwija. Nic nie stoi na przeszkodzie, poza względami etycznymi, aby taki zabieg skutecznie przeprowadzić w drugą stronę.
Oczywiście zdarzają się różnice i wyjątki potwierdzające regułę. Ekspresja genu decapentaplegic u muszki czyni komórkę częścią grzbietu. Ekspresja genu gastrulation czyni ją częścią brzucha. Odpowiednik pierwszego z nich u myszy – BMP4 to gen „brzuchujący”, odpowiednik drugiego – chordin to gen „grzbietujący”. Stawonogi i kręgowce zatem to odwrócone wersje tego samego ogólnego planu. Miały wspólnego przodka, lecz jeden z jego potomków zaczął chodzić na grzbiecie, a drugi na brzuchu.
Geny HOX mogą ulegać mutacjom – wtedy proces rozwojowy jest zakłócony. Mutacja genu Ultrabithorax u muszki owocowej, powoduje, że osobnik posiada dodatkową parę skrzydeł na trzecim segmencie ciała zamiast pary przezmianek (segmenty są wyraźnie zaznaczone na poniższej grafice). Mutacja genu Antennopedia powoduje ekspresję białak Antp nie w tych komórkach, co zwykle – w efekcie zamiast czułków na czole wyrasta dodatkowa para nóg. (Przykłady mutacji i ich skutków na podstawie „Ewolucji” Douglasa Futuymy).
Schemta genów HOX u Drosophila melanogaster i Homo sapiens Źródło – https://socratic.org/biology/reproduction-development/hox-genes
Wszystkie zwierzęta rozwijają się od przedniej części ciała, a kończą na tylnej. Przedni gen HOX ulega ekspresji w przedniej części ciała – jest to równocześnie pierwszy z genów homeotycznych ulegający ekspresji. Ekspresja współliniowa odpowiada ekspresji czasowej; aktywacja tego genu jednocześnie włącza gen następny w kolejce. Niektóre z nich ulegają ekspresji tylko w określonej części ciała, dzięki czemu nie mamy rąk zamiast nóg. Nasz gen desert hedgehog definiuje rozwój kończyn dolnych, a sonic hedgehog – górnych. I każdy z nich zadziała tylko w tej właściwej połówce ciała.
Z podstawowej asymetrii składników chemicznych znajdujących się w komórce jajowej wynika wszystko to, co dzieje się później. Geny włączają się wzajemnie, definiując przód i tył ciała, różnicując je na głowę i odwłok (korpus). Potem następne geny uaktywniają się dając tożsamość każdej przegródce. Inne polaryzują przegródki i implikują tworzenie wszelkich narządów. I tak z prostej asymetrii powstaje złożony wzór. Z nieuporządkowanej struktury najwspanialsze organizmy żywe we Wszechświecie. A przynajmniej nic nie wiemy o tym, aby gdziekolwiek istniały wspanialsze.
Na podstawie być może najlepszej pozycji popularnonaukowej jaką miałem w ręku
Matt Ridley – Genom