Alle Lebewesen sind einander mehr oder weniger ähnlich. Wenn wir die Anatomie einiger Arten, einschließlich sehr alter Arten, studieren, erhalten wir ein vollständigeres Bild der Struktur anderer Organismen - zum Beispiel des Menschen. Im Nachdruck des Buches „Inner Fish. Die Geschichte des menschlichen Körpers von der Antike bis zur Gegenwart "(Verlag" Corpus "), ins Russische übersetzt von Peter Petrov, einem der Entdecker von Tiktaalik, einer Zwischenverbindung zwischen Fischen und Landtieren, spricht der Paläontologe Neil Shubin menschliche Anatomie basierend auf wissenschaftlichen Erkenntnissen über andere Arten, die noch auf dem Planeten leben oder vor langer Zeit ausgestorben sind. N + 1 lädt seine Leser ein, eine Passage zu lesen, die von den Experimenten der ersten Wissenschaftler-Embryologen sowie der Entdeckung von Hox-Genen erzählt, die die Proportionen der Körper aller mehrzelligen Organismen bestimmen.
Embryoexperimente
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellten Biologen grundlegende Fragen zum Aufbau und zur Entwicklung von Organismen. Wo genau sind in den Embryonen die Informationen über ihren Entwicklungsweg gespeichert? Ist es in jeder Zelle enthalten oder nur in einigen Zellen des Embryos? Und in welcher Form werden diese Informationen aufgezeichnet – vielleicht in Form einer chemischen Substanz?
Ab 1903 untersuchte der deutsche Embryologe Hans Spemann die Mechanismen, die es embryonalen Zellen ermöglichen, sich während der Entwicklung in Zellen und Gewebe eines erwachsenen Körpers zu verwandeln. Die von ihm gestellte Hauptaufgabe bestand darin, herauszufinden, ob jede Zelle des Embryos genügend Informationen enthält, um einen ganzen Organismus zu bilden, oder ob einige dieser Informationen in einigen Zellen gespeichert sind und einige - in anderen.
Bei der Arbeit mit Molcheiern, die leicht zu bekommen und im Labor recht einfach zu manipulieren sind, hat Spemann ein geniales Experiment entwickelt. Er schnitt seiner kleinen Tochter eine Locke ab und machte daraus Miniaturschleifen. Babyhaar ist ein wunderbares Material: weich, fein und flexibel, es ist perfekt, um ein Werkzeug herzustellen, mit dem Sie eine Schlaufe ziehen und eine kleine Kugel Molcheier in zwei Hälften teilen können. Genau das hat Spemann mit den Eiern gemacht und sie zusammen mit den darin eingeschlossenen sich entwickelnden Embryonen halbiert. Nachdem er einige Manipulationen an den Zellkernen vorgenommen hatte, ließ er die resultierenden Eihälften sich weiterentwickeln und beobachtete, was daraus werden würde. Und es stellte sich folgendes heraus: Aus beiden Hälften der Zweiteilung entwickelte sich der Embryo entsprechend dem Zwillingsmolch mit einem ganz normalen Körperbau. Beide Zwillinge waren durchaus lebensfähig. Daraus folgte die naheliegende Schlussfolgerung: Aus einer befruchteten Eizelle können sich mehr als ein Individuum entwickeln. Auf diese Weise entstehen ungefähr eineiige (oder eineiige, dh aus dem gleichen Ei stammende) Zwillinge. Mit diesen Experimenten bewies Spemann, dass sich einige Zellen in den frühen Entwicklungsstadien eines Embryos aus eigener Kraft zu einem vollwertigen erwachsenen Organismus entwickeln können.
Aber das war nur der Anfang. Diesem Experiment folgten neue, die neue Entdeckungen mit sich brachten.
In den 1920er Jahren begann Hilda Mangold, Spemanns Doktorandin, die in seinem Labor arbeitete, ihre Forschungen an winzigen Embryonen. Sie zeichnete sich durch eine erstaunliche Fingerfertigkeit aus, und diese Fähigkeit ermöglichte es ihr, eine Reihe äußerst schwieriger Experimente durchzuführen. In dem Entwicklungsstadium, mit dem Hilda arbeitete, ist der Molchembryo eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa eineinhalb Millimetern. Hilda entnahm einem Embryo ein Gewebestück, das kleiner als ein Stecknadelkopf war, und transplantierte es auf einen sich entwickelnden Embryo einer anderen Spezies. Dabei entnahm sie nicht von irgendwoher Stücke für die Transplantation, sondern nur aus dem Bereich, in dem sich die Zellen bewegten und Falten bildeten, aus denen die Keimblätter gebildet werden sollten. Der Forscher tat es so geschickt, dass sich der Embryo mit einem darauf aufgepfropften Stück eines anderen Embryos sicher weiter entwickelte. Das Ergebnis dieses Experiments brachte eine angenehme Überraschung. Die transplantierte Gewebestelle hat zur Bildung eines ganz neuen Körpers geführt, der mit einem Rücken, einer Wirbelsäule, einem Bauch und sogar einem Kopf ausgestattet ist.
Nur durch die Transplantation eines Gewebestücks von einem anderen in einen Embryo erhielt Hilda Mangold Zwillingsmolche.
Warum ist das alles so wichtig? Hilda Mangold entdeckte einen kleinen Gewebebereich, der andere Zellen zwang, mit einem normalen Bauplan einen ganzen Körper zu bilden. Das winzige, aber außerordentlich wichtige Gewebestück, das für dieses Entwicklungsmuster verantwortlich ist, wird als Organisator bezeichnet.
Für die Entdeckungen, die Hilda Mangold während ihrer Dissertation gemacht hat, wurde schließlich der Nobelpreis verliehen – aber nicht an sie selbst. Sie starb auf tragische Weise (durch die Explosion eines Kerosinofens in der Küche), bevor ihre Ergebnisse überhaupt veröffentlicht wurden. Der Nobelpreis für Medizin - "für die Entdeckung des Organisator-Effekts in der Embryonalentwicklung" - wurde 1935 von seinem Leiter, Hans Spemann, verliehen.
Viele Wissenschaftler halten die Arbeit von Hilda Mangold heute für das wichtigste Experiment in der Geschichte der Embryologie.
Etwa zur gleichen Zeit, als Hilda Mangold dieses Experiment in Spemanns Labor durchführte, entwickelte ein anderer deutscher Embryologe, Walter Vogt, ausgeklügelte Methoden zur Markierung von Zellen oder Zellgruppen. Mit diesen Methoden konnte er direkt beobachten, was mit bestimmten Zellen während der Entwicklung des Embryos passiert. Mit ihnen erstellte Vogt Karten, die zeigen, aus welchem Teil des Embryos in den frühen Entwicklungsstadien jedes Organ später entsteht. Diese Karten zeigten, welches Schicksal bestimmte Zellen eines jungen Embryos im Laufe seiner weiteren Entwicklung ereilte, wie sich der darin festgelegte Strukturplan manifestiert.
Dank der ersten Embryologen wie Pander, Baer, Spemann und Mangold haben wir gelernt, dass es möglich ist, den Entwicklungsweg aller Teile unseres erwachsenen Organismus aus einzelnen Abschnitten embryonaler Zellen im Stadium eines einfachen Drei- Schichtscheibe, und außerdem erfolgt die Bildung des allgemeinen Schemas der Körperstruktur nach der von Mangold und Spemann entdeckten Einwirkung der Organisatorzellenstelle.
Indem Sie Embryonen Stück für Stück zerlegen und sammeln, können Sie sicherstellen, dass alle Säugetiere, Vögel, Amphibien, Reptilien und Fische ihre eigenen Organisationsplätze haben. Manchmal können Sie sogar den Organizer im Embryo durch einen anderen ersetzen, der aus einem Embryo einer ganz anderen Art stammt. Wenn Sie beispielsweise eine Wirtsstelle von einem Hühnerembryo auf einen Molchembryo übertragen, entwickeln sich aus diesem Embryo Zwillingsmolche.
Aber was ist dieser Veranstalter? Und was ist darin enthalten, was sagt den Zellen, nach welchem Plan sie den sich entwickelnden Körper bauen sollen? Es ist natürlich DNA. Und in dieser DNA finden wir eine innere Rezeptur, die uns und allen anderen Tieren gemeinsam ist.
Über Fliegen und Menschen
Karl Baer verfolgte die Entwicklung von Embryonen, verglich eine Art mit einer anderen und enthüllte die grundlegenden Merkmale der Struktur lebender Organismen. Mangold und Speman, um herauszufinden, wie aus dem Gewebe eines Embryos Gewebe und Organe eines erwachsenen Organismus entstehen, schneiden sie die Embryonen und transplantierten Zellabschnitte von einem zum anderen. Jetzt, im Zeitalter der DNA, können wir neue Fragen stellen – nach den genetischen Grundlagen unserer Struktur. Wie steuern Gene die Entwicklung unseres Gewebes und unseres Körpers? Wenn Sie Fliegen früher unterschätzt haben, denken Sie daran, dass es die Erforschung von Mutationen in diesen Insekten war, die den Menschen den Weg ebneten, die Gene zu entdecken, die für den Körperbau in menschlichen Embryonen verantwortlich sind. Wir haben diesen Ansatz bereits diskutiert, als wir über die Entdeckung von Genen sprachen, die die Entwicklung von Fingern und Zehen steuern. Sehen wir uns nun an, was er bei der Untersuchung von Genen geben kann, die das gesamte Design unseres zukünftigen Körpers bestimmen.
Auch der Körper der Fliege hat einen eigenen Bauplan. Es hat vorderes und hinteres Ende, oben und unten, rechte und linke Seite. Antennen, Flügel und andere Anhängsel wachsen in einer Fliege von dort, wo sie wachsen sollten. Außer wenn sie dort gar nicht wachsen! Es gibt zum Beispiel mutierte Fliegen mit Beinen, die aus dem Kopf wachsen. Und es gibt diejenigen, die zwei Flügelpaare und mehr Körpersegmente haben, als sie sein sollten. Solche Mutanten machten es zum Beispiel möglich zu verstehen, warum sich beim Menschen die Form der Wirbel vom Kopf zum gegenüberliegenden Körperende verändert.
Wissenschaftler untersuchen seit über einem Jahrhundert Anomalien bei Fruchtfliegen. Schon bald nach Beginn dieser Studien erregte ein spezieller Mutantentyp die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Bei diesen Mutanten befanden sich die Organe an den falschen Stellen: Das Bein wuchs dort, wo die Antenne sein sollte, oder neben dem normalen Flügelpaar gab es noch ein zusätzliches, oder einige Körperteile fehlten. Offensichtlich hinderte hier etwas den Körper daran, sich gemäß dem normalen Bauplan zu entwickeln. Wie jede Mutante verdanken diese Fliegen ihren Ursprung einem Fehler in den auf der DNA aufgezeichneten Informationen. Lassen Sie mich daran erinnern, dass Gene DNA-Stücke sind, von denen ein langes Molekül Chromosom genannt wird. Mit einer Reihe von Methoden, die es uns ermöglichen, Gene und ihre Lage auf den Chromosomen zu untersuchen, können wir den Teil des Chromosoms finden, der für eine bestimmte Mutation verantwortlich ist. Dies geschieht allgemein wie folgt. Zuerst züchten wir Mutanten - wir bekommen eine ganze Population von Fliegen, alle Individuen, die den gleichen genetischen Fehler haben. Dann vergleichen wir unter Verwendung bestimmter molekularer Marker die Gene von Personen mit dieser Mutation mit den Genen von Personen, die keine solche Mutation haben. Mit dieser Methode können Sie die Position der Stelle bestimmen, an der die Mutation auf dem Chromosom aufgetreten ist, das das mutierte Gen enthält. Diese Experimente ergaben, dass Fruchtfliegen acht Gene haben, deren Schäden solche Mutationen verursachen. Diese Gene folgen aufeinander in einem der großen Chromosomen von Drosophila. Außerdem stehen die Gene, Mutationen, die Störungen im Kopfbau verursachen, vor den Genen, bei denen Mutationen Störungen in der Körpermitte verursachen, zum Beispiel in den Flügelsegmenten. Ganz am Ende dieser Reihe befinden sich die Gene, die für die Entwicklung des hinteren Endes des Körpers verantwortlich sind. Überraschenderweise stellte sich heraus, dass diese Gene auf dem Chromosom in der gleichen Reihenfolge liegen, in der sich die zugehörigen Körperstrukturen in Richtung vom Kopf zum Schwanz befinden.
Nun standen die Forscher vor der Aufgabe herauszufinden, welche spezifische Sequenz von DNA-Elementen (Nukleotiden) für jede Mutation verantwortlich ist. Mike Levin und Bill McGinnis, die im Labor von Walter Göring in der Schweiz arbeiteten, und Matt Scott im Labor von Tom Kaufman in Indiana, fanden heraus, dass sich in der Mitte jedes dieser Gene eine kurze Sequenz befand, die sich als fast identisch herausstellte die untersuchten Arten. Diese kleine Sequenz wurde als Homöobox bezeichnet, und die acht Drosophila-Gene, die Homöobox enthielten, wurden Hox-Gene genannt. Diese Sequenz wurde bei verschiedenen anderen Tierarten gesucht, und diese Recherchen brachten ein allgemeines Ergebnis, das wirklich überraschend war. Es stellte sich heraus, dass alle vielzelligen Tiere Varianten von Hox-Genen haben.
Bei so unterschiedlichen Organismen wie Fliegen und Mäusen wird die Organisation des Körpers entlang einer Achse vom Kopf bis zum Schwanz durch Varianten derselben Gene reguliert. Wenn wir auf die eine oder andere Weise in die Arbeit der Hox-Gene eingreifen, greifen wir auf eine bestimmte vorhersehbare Weise in den Plan der Körperstruktur ein. Wenn Sie eine Fliege bekommen, bei der eines der Gene der Mittelsegmente nicht funktioniert oder fehlt, entwickeln sich die Mittelsegmente ihres Körpers nicht oder werden deformiert. Wenn Sie eine Maus bekommen, der eines der mittleren Hox-Gene fehlt, wird die Struktur des mittleren Teils der Wirbelsäule bei einer solchen Maus verändert.
Gene bestimmen auch die Proportionen unseres Körpers, also die Größe verschiedener Teile des Kopfes, der Brust und des Rückens. Diese Gene sind an der Entwicklung einzelner Organe, Gliedmaßen, Genitalien und des Verdauungstraktes beteiligt. Veränderungen in diesen Genen verändern die Struktur unseres Körpers.
Hox-Gene bei Fruchtfliegen und Menschen. Verschiedene Hox-Gene steuern die Körperorganisation von Kopf bis Schwanz. Fliegen haben einen Satz von acht solcher Gene, von denen jedes im Diagramm als kleines Rechteck dargestellt ist. Der Mensch hat vier Sätze dieser Gene. Sowohl bei Fliegen als auch beim Menschen entspricht die Reihenfolge, in der diese Gene eingeschaltet werden, der Reihenfolge, in der sie sich in der DNA befinden: Die Gene, die im Kopf arbeiten, befinden sich an einem Ende des DNA-Moleküls, diejenigen, die im Schwanz arbeiten, sind auf der anderen, und diejenigen, die die Organentwicklung kontrollieren, in der Mitte und auf der DNA in der Mitte.
Verschiedene Arten haben eine unterschiedliche Anzahl von Hox-Genen. Fliegen und andere Insekten haben acht, Mäuse und andere Säugetiere haben neununddreißig. Darüber hinaus sind alle neununddreißig Maus-Hox-Gene Varianten der Fliegen-Hox-Gene. Dies liegt daran, dass viele der Hox-Gene von Säugetieren anscheinend aus der Duplikation einer kleineren Gruppe von Hox-Genen entstanden sind, beispielsweise in Insekten. Trotz der unterschiedlichen Anzahl dieser Gene werden sie während der Entwicklung der Maus in einer ganz bestimmten Reihenfolge aktiviert, ebenso wie bei der Entwicklung der Fliege.
Können wir noch weiter gehen, unseren Stammbaum studieren und ähnliche DNA-Abschnitte finden, die an der Bildung noch grundlegenderer Merkmale der Struktur unseres Körpers beteiligt sind? Überraschenderweise können wir das. Und dies wird es uns ermöglichen, unsere Verbindung zu Organismen viel einfacher zu sehen als Fliegen.
