Zostałem pisarzem naukowym, około 1980 roku, ponieważ nie sądziłem, że muchy z nogami wyrastającymi z ich głów – moje badania doktoranckie – miały wiele wspólnego z ludzkim zdrowiem czy biologią. Więc kiedy dostrzegłem słowa „Ludzka transformacja homeotyczna”, na samym dole spisu treści w majowym wydaniu American Journal of Human Genetics, byłem tak zafascynowany, jak normalny człowiek, który dostałby egzemplarz People z celebrytą na okładce.
Mutacje homeotyczne i Archiwum X
Mutacja homeotyczna miesza części ciała, tak że mucha ma nogę na głowie, antenę w ustach lub ma podwójny zestaw skrzydeł. Wyznaczanie części ciała zaczyna się we wczesnym embrionie, kiedy komórki wyglądają podobnie, ale są już przeznaczone, dzięki gradientom białek „morfogenicznych”, które programują dany region do tworzenia konkretnych struktur. Pomieszaj te wiadomości, a noga stanie się anteną – lub, jak w artykule AJHG, dziecko rozwinie dwie górne szczęki, zamiast górnej i dolnej.
Kiedyś znałem homeotyczne mutanty Drosophila melanogaster z bliska, jako że archaicznie mapowałem ich geny. Krótko po tym, jak opuściłem laboratorium Thoma Kaufmana na Indiana University (gdzie oprócz pracy magisterskiej napisałem też romans o muszce owocowej), doktorant Matt Scott i studentka Amy Weiner namierzyli homeoboks, 180-bazową sekwencję kodującą białko, które wiąże inne białka włączające zestawy innych genów – tworząc zarodek, sekcja po sekcji.
Wkrótce homeoboksy pojawiły się we wszystkich rodzajach genomów, wpływając na pozycje płatków, nóg i segmentów larwalnych, geny w tajemniczy sposób ułożone na chromosomach w dokładnej kolejności, w jakiej są rozmieszczone w rozwoju. Homeotyczne mutanty wystąpiły nawet w jednym z odcinków Archiwum X.
Homeotyczne mutacje powodują kilka ludzkich chorób. W chłoniakach, białe krwinki objazd na złej linii, i w zespole DiGeorge, brakujące grasicy i przytarczyc i nieprawidłowe uszy, nos, usta, i gardło echo nieprawidłowości w Antennapedia, nogi na głowę muchy na zdjęciu. Dodatkowe i złączone palce oraz różne zmiany kostne również wynikają z mutacji homeotycznych.
Ale żadna ludzka homeoza nie wydawała mi się tak fascynująca jak dwuskrzydłowa mucha — dopóki nie zobaczyłem zdjęć malutkich twarzy dzieci z górnymi dolnymi szczękami.
Dwie górne szczęki
Odkrycie mutacji homeotycznych, które zmieniają dolną szczękę (żuchwę) w górną szczękę (szczękę), rozpoczęło się od bystrego pediatry. Michael L. Cunningham, MD, PhD, dyrektor Seattle Children’s Craniofacial Center, który ma również wykształcenie w dziedzinie anatomii i embriologii, badał szczękę małej dziewczynki z tym, co stało się znane jako zespół auriculocondylar lub ACS.
Stan ten, pierwotnie opisany w 1978 roku i nazywany również zespołem „Uszu ze znakiem zapytania”, może spowodować przekręcenie uszu na kształt wspomnianych znaków interpunkcyjnych oraz zaburza rozwój stawu skroniowo-żuchwowego i żuchwy. Głowa i usta są tak małe, że dzieci muszą być poddawane operacjom, aby móc normalnie oddychać i jeść. ACS jest rzadką chorobą: cierpi na nią mniej niż 1 na 50 000 noworodków.
Dr Cunningham zauważył, badając dziewczynkę w 1998 roku, że dolna kość szczękowa miała niezwykłe obszary kostne, które zrastały się z jej kośćmi policzkowymi. „Widząc jej żuchwę robiącą to dało nam pomysł, że jej dolna szczęka była wzorowana na górnej szczęce. A fakt, że jej matka była również dotknięta tym problemem, sprawił, że pomyślałem, że znaleźliśmy nowy warunek,” powiedział.
Przez lata, kiedy zespół dr Cunninghama opiekował się dziewczynką, zauważył mięsistą tkankę tworzącą się wewnątrz jej ust po obu stronach żuchwy, która wyglądała jak połówki zdublowanego podniebienia miękkiego z języczkiem po każdej stronie – co jest dokładnie tym, czym były, tylko w niewłaściwym miejscu. „Było oczywiste, że jej dolna szczęka była zbudowana jak szczęka i zygoma (kość policzkowa)” – wspomina.
Sekwencjonowanie całego eksomu
Poszukiwania mutacji powodującej chorobę rozpoczęły się, jak to często bywa, od modelu zwierzęcego – myszy Dlx5/Dlx6. Mutacje w tym genie Hox powodują małą, zniekształconą szczękę u myszy, „rozdwojenie dłoni/stóp” u ludzi oraz nogi i czułki wyskakujące tam, gdzie nie pasują, lub ich brak tam, gdzie pasują, u much.
Ale kiedy grupa Cunninghama i współpracownicy zsekwencjonowali Dlx5/Dlx6, jak również gen będący następnym ogniwem w łańcuchu, zwany endoteliną, u pacjenta i u kilku innych osób, geny te nie zawierały mutacji. Coś innego było przyczyną dziwnie zduplikowanej/niedobranej szczęki w ACS.
Kolejny krok: sekwencjonowanie całego egzomu, dzięki współpracy z dr Markiem J. Riederem z wydziału nauk o genomie na Uniwersytecie Waszyngtońskim i współpracownikami z Francji, Australii, San Francisco i Tucson. Porównali oni części genomów kodujące białka w trójkach dziecko-rodzic z pięciu rodzin, konsultując kilka dodatkowych rodowodów dostarczonych przez innych badaczy.
Wyniki były niezwykłe, na kilka sposobów.
Po pierwsze, badacze odkryli „dwie odrębne genetyczne przyczyny pojedynczego ludzkiego zespołu wad rozwojowych… na tej samej ścieżce…. w jednym eksperymencie”, powiedział Cunningham, odnosząc się do genów zwanych PLCB4 i GNAI3. Oba wpływają na szlak sygnałowy endoteliny, ale różnymi drogami: Mutacje PLCB4 dezaktywują stymulację, podczas gdy mutacje GNAI3 wzmacniają sygnał hamujący. Wskazówki pochodziły od zebrafish z podobnymi szczękami i mutacją PLCB4. Mutacja GNAI3 nie miała jednak żadnego znanego zwierzęcego odpowiednika. (Naukowcy nie wiedzą jeszcze dokładnie, w jaki sposób mutacje powodują ACS.)
Drugim nieoczekiwanym wynikiem było to, że wszystkie mutacje w obu genach wpływają na aminokwasy, które są identyczne u wszystkich kręgowców, much, a nawet grzybów, co wskazuje, że geny są niezbędne do życia wielokomórkowego.
Po trzecie, mutacje nie występują w genach Hox, ale w ich regulatorach.
Większy obraz
Odkrycie dwóch genów stojących za ACS z pewnością pomoże w diagnostyce tego zespołu i pokrewnych. Ale implikacje są szersze, na cztery sposoby.
#1 EWOLUCJA Kiedy mutacje wykolejają rozwój w podobny sposób u tak różnych gatunków jak człowiek i mucha, pochodzenie od wspólnego przodka jest dużo bardziej logicznym wyjaśnieniem niż powtarzające się identyczne zmiany genetyczne lub bycie upchniętym przez Stwórcę.
#2 SEKWENCJONOWANIE CAŁEGO EKOMU Nadchodzi czas przestarzałości. „Sekwencjonowanie eksomu jest tak potężne, że mutacje wkrótce nie będą już tym, czego szukamy. Mutacje będą łatwe do znalezienia, a nawet nudne. To biologia będzie trudna do rozgryzienia: funkcja białek, regulacja ekspresji, epigenetyka i biologia rozwoju – na to będziemy poświęcać coraz więcej czasu” – powiedział Cunningham.
#3 WYBÓR MOJEJ KARIERY Uświadomiłem sobie, dzięki eleganckiej pracy nad podwójną szczęką, w której szczęka jest widziana z dwóch perspektyw, że mutacje homeotyczne są metaforą mojej kariery – wykorzystuję wiedzę z zakresu genetyki do komunikowania wyników badań, a nie do badania molekuł i mechanizmów.
#4 ORGANIZMY MODELOWE Odkrycie mutacji leżących u podstaw ACS oświetla wartość badań na organizmach modelowych. Będę pisać wiadomości na zbliżające się spotkanie 2012 Model Organisms to Human Biology – Cancer Genetics Meeting w Waszyngtonie, D.C. 17-20 czerwca. Mam nadzieję na gościnne blogi ze świata robaków, zeberek, żab i myszy – i oczywiście szlachetnej muszki owocowej.