Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Кошки с полидактилией (“кошки Хемингуэя”) имеют широкие лапы с шестью или большим числом пальцев

В 1960-х годах ученые, работавшие с куриными эмбрионами, пытались понять, как в процессе эмбрионального развития образуются ноги и крылья. Конечности зарождаются на теле эмбриона в виде крохотных выростов, напоминающих тоненькие трубочки. За несколько дней (точное время разнится у разных видов) они увеличиваются, в них начинают формироваться кости, и удлиняющийся конец начинает походить на широкое весло. На этой расширенной поверхности постепенно формируются лодыжки, кисти и пальцы.

Ученые обнаружили, что путем удаления или перемещения клеток в области “весла” можно изменять число формирующихся пальцев. Если удалить крохотный кусочек ткани с растущего конца, развитие конечности останавливается. Когда это делали на ранних этапах развития, на конечности у эмбриона было меньше пальцев или их не было совсем. Когда это делали чуть позже, у эмбриона могло не хватать всего одного пальца. Все зависит от того, на какой стадии развития проводить эксперимент: удаление ткани на ранней стадии оказывает более заметное влияние на развитие эмбриона, чем вмешательство на поздней стадии.

Джон Сондерс и Мэри Гэсслинг из Университета Висконсина по неизвестным теперь уже причинам удалили крохотный участок ткани от основания растущего зачатка конечности. Этот фрагмент ткани не имел никаких опознавательных признаков, ничего выдающегося. Он расположен в той части “весла”, из которой в конечном итоге развиваются мизинцы. Исследователи извлекли кусочек ткани длиной менее миллиметра и пересадили его на противоположную сторону в основании “весла”, туда, где развивается большой палец. Запаяв эмбрион в скорлупе, они ждали окончания его развития.

Появившийся цыпленок выглядел неожиданно. Он был таким же, как все цыплята, – с клювом, перьями и крыльями. Но его крылья, в отличие от нормальных крыльев с тремя удлиненными пальцами, имели по шесть пальцев. Что-то внутри этого крохотного комочка клеток содержало инструкции для развития пальцев.

Вскоре аналогичные эксперименты начались и в других лабораториях. В 1970-х годах британские исследователи поместили крохотные кусочки фольги между этим участком ткани и остальной частью зачатка конечности. В результате на крыльях получилось меньше пальцев, чем обычно. Фольга служила барьером между фрагментом ткани и другими клетками. Напрашивался вывод, что какое-то вещество, выделяющееся из этой группы клеток, проходит через растущую конечность и активизирует рост пальцев. Когда фольга предотвращает диффузию, образуется меньше пальцев, а когда барьер устанавливают в другой части конечности, образуется больше пальцев. Но какое вещество выделяют клетки?

В начале 1990-х годов три лаборатории независимо друг от друга использовали новые методы для выделения этого белка и соответствующего гена. В процессе эмбрионального развития на основании гена синтезируется белок, который проходит через “весельную” часть зачатка конечности. Как обнаружили ученые, по мере продвижения он сообщает группам клеток, какие пальцы они должны формировать. Там, где концентрация белка высокая, образуется пятый палец – мизинец. Там, где она низкая, образуется первый (большой) палец. Там, где концентрация белка промежуточная, образуются промежуточные пальцы. В одной из исследовательских групп этот ген назвали Sonic hedgehog, намекая на уже известный ген hedgehog из других видов животных и популярную видеоигру про ежика Соника.

Но что заставляет ген производить больше или меньше пальцев? Может быть, у гена Sonic hedgehog есть переключатели, которые влияют на развитие пальцев? Ответ на этот вопрос дал бы ключ к пониманию того, как на основании генов формируется тело и как оно эволюционирует.

Как многие важные моменты в жизни и в науке, эта история началась со случайности.

В конце 1990-х годов группа генетиков из Лондона встраивала фрагменты ДНК в геном мыши, чтобы изучать формирование головного мозга. Эти фрагменты были частью маленького молекулярного аппарата, который исследователи сконструировали для того, чтобы он прикреплялся к ДНК и служил маркером ее активности. В подобных экспериментах часто что-то идет не так, как задумано. Фрагмент может угодить в любой участок генома. Если он оказывается в биологически важной части генома, может появиться мутант. Именно это и произошло в эксперименте: у некоторых мышей с встроенными фрагментами ДНК был нормальный мозг, но деформированные пальцы передних и задних лап. Одна из мышей имела дополнительные пальцы и очень широкие лапы, напоминавшие лапы кошек Хемингуэя. Исследователям удалось вывести линию таких мутантных мышей и, как принято, им было дано имя. Их назвали Sasquatch, “снежный человек”, в честь большеногого существа из паранормального мира.

Поскольку эти мутанты были бесполезны для изучения головного мозга, исследователи подумали, что они могут пригодиться биологам, изучающим развитие конечностей. И на какой-то научной конференции вывесили постер со своими результатами. Постерные сессии на научных конференциях часто считают чем-то второстепенным, поскольку лучшие результаты представляют в виде докладов. Но в постерных сессиях играет роль социальный аспект, поскольку люди ходят, смотрят и обсуждают науку. Мой личный опыт показывает, что больше научных контактов завязывается после постерных сессий, чем после докладов.

Постер описывал тип полидактилии, который, как известно, возникает в результате мутации Sonic hedgehog', дополнительные пальцы со стороны мизинца. Такие мутации происходят по той причине, что Sonic hedgehog включается на неправильной стороне конечности. Так что на следующем этапе, совершенно очевидно, надлежало проследить за активностью гена Sonic у мутантов, но такой эксперимент на постере отражен не был. Получив мутантов случайным образом, исследователи проанализировали крохотные развивающиеся конечности под микроскопом. Как можно предположить при таком типе полидактилии, активность Sonic hedgehog в мутантах оказалась значительно усилена. На основании этих наблюдений была выдвинута гипотеза, что мутант Sasquatch получился в результате встраивания фрагмента ДНК внутрь гена Sonic hedgehog или в непосредственной близости от него.

Постер привлек к себе внимание не биологов, специализирующихся на конечностях, а известного генетика из Эдинбурга Роберта Хилла, случайно проходившего мимо и заметившего фотографии мутанта Sasquatch. С этого момента началась новая исследовательская программа.

Лаборатория Хилла получила известность в связи с изучением генов, участвующих в развитии глаз. В процессе этой работы группа специалистов, среди которых была молодая исследовательница Лора Леттис, создала метод анализа генома для выявления в нем фрагментов ДНК. Поскольку последовательность встроенного в мутантную мышь фрагмента ДНК была известна, нужно было просканировать весь геном и найти, куда он встроился. Леттис только начинала работать и была еще довольно неопытной, но она обладала терпением и необходимым набором навыков.

Для локализации мутации в последовательности ДНК ученые использовали простой трюк. Они присоединяли молекулу красителя к короткой последовательности ДНК, комплементарной вызвавшему мутацию фрагменту. Смысл в том, что эта последовательность находит мутацию, связывается с нужным фрагментом, и voila — краситель показывает, где он находится. Поскольку мутация повлияла на активность гена Sonic hedgehog, скорее всего, она могла находиться в одном из двух мест – либо в самом гене, либо в непосредственно прилегающей к нему контрольной области, такой же, как Жакоб и Моно открыли в клетках бактерий.

Выяснилось, что ген Sonic hedgehog затронут не был. В этой области краситель не давал сигнала. В чем бы ни заключалась причина изменения активности Sonic hedgehog в конечности и полидактилии, это не была мутация самого гена или соответствующего белка. Подобно Жакобу и Моно, исследователи предположили, что был задет один из прилежащих к гену контрольных регионов. Они провели анализ и убедились, что и в этой зоне все совершенно нормально. Но если ни ген, ни прилежащие переключатели не были повреждены, что же в таком случае вызывало мутацию?

Некоторые генетические переключатели расположены очень далеко от генов, которые они контролируют. ДНК всегда образует петли и складки и изгибается, чтобы закрыться и открыться и привести переключатели в непосредственный контакт с их генами, чтобы с них мог считываться белок

Любой человек, пытавшийся разыскать улетевшую в ветреный день самодельную ракету, знает, что можно потратить уйму времени на поиски в непосредственной близости от старта, тогда как искать нужно вдалеке. Хилл, Леттис и другие исследователи начали прочесывать весь геном, пока наконец не обнаружили сигнал. Фрагмент встроился почти в миллионе оснований от последовательности гена Sonic hedgehog. Иными словами, между местом мутации и геном Sonic было гигантское расстояние. Подозревая, что это ошибка, исследователи повторили эксперимент и вновь проанализировали результаты. Но что бы они ни делали, результаты оставались такими же. Маленький участок ДНК на расстоянии миллиона оснований от гена каким-то образом контролировал его активность. Представьте себе, что выключатель от лампы в комнате в Филадельфии находится на стене гаража в пригороде Бостона.

Может ли быть, что изменения в этом отдаленном участке стали причиной появления дополнительных пальцев? Исследователи нашли столько людей и кошек с шестью пальцами, сколько смогли (пациентов с полидактилией из Голландии, мальчика из Японии и даже кошек Хемингуэя), и проанализировали их ДНК. И в каждом случае они обнаружили небольшую мутацию в этом самом участке, отстоящем на миллион оснований от гена Sonic hedgehog. Каким-то образом небольшая мутация в другой части генома вызывала изменение активности Sonic, активизируя его действие во всей конечности, что приводило к появлению дополнительных пальцев рук и ног.

Определив последовательность букв А, Т, С и G в этом участке, ученые обнаружили, что она весьма специфическая. Длина участка составляет около полутора тысяч оснований, и его последовательности сопоставимы у разных организмов. У людей и у мышей он располагается в одном и том же месте – примерно в миллионе оснований от гена. То же самое наблюдается у лягушек, ящериц и птиц. Эта последовательность есть у всех существ с конечностями и даже у рыб. Она есть у лосося, есть у акулы. Все существа, у которых ген Sonic hedgehog задействован в развитии конечностей, будь то ноги или плавники, имеют такой контрольный участок на расстоянии почти миллиона оснований от гена. Через этот странный пример организации генома природа сообщала исследователям нечто важное.

Меняем рецепты

На первый взгляд удивительно, что кошки и люди с полидактилией вообще родятся живыми. В процессе эмбрионального развития ген Sonic hedgehog контролирует не только рост конечностей. Этот важный регуляторный ген контролирует развитие сердца, спинного и головного мозга, а также половых органов. Его можно сравнить с универсальным инструментом, который используется для формирования многих органов и тканей. Поэтому мутация Sonic hedgehog должна была бы затрагивать все структуры, в которых он проявляет активность: у мутантов, среди прочего, наблюдались бы повреждения спинного мозга, сердца, конечностей, лица и половых органов. Так какое же существо может родиться в случае мутации этого гена? Поскольку мутация Sonic hedgehog приводит к деформации множества тканей, ответ на этот вопрос кажется очевидным: мертвое.

Однако механизм контроля активности Sonic hedgehog в процессе развития позволяет избежать такого исхода. Каким образом? Мутации в участке ДНК, ответственном за регуляцию развития конечностей, затрагивают только конечности. Вот почему люди с полидактилией, вызванной этой мутацией Sonic hedgehog, имеют нормальное сердце, спинной мозг и другие структуры: переключатель, контролирующий активность гена, специфичен для каждой конкретной ткани, и другие ткани не затрагиваются.

Представьте себе дом с множеством комнат, в каждой из которых есть своя независимая батарея. Изменение температуры котла в бойлерной повлияет на температуру во всех комнатах, но поворот ручки термостата в одной комнате повлияет только на температуру в этом конкретном помещении. Такая же ситуация наблюдается в отношении генов и их регуляторных последовательностей. Как изменение температуры котла повлияет на температуру во всем доме, так изменение гена и кодируемого им белка может повлиять на все тело. Общее изменение привело бы к катастрофе и тупиковым ветвям эволюции. Но в каждой ткани есть собственная регуляторная последовательность, и поэтому, как переключение терморегулятора в отдельной комнате, изменения в одном органе не вызывают изменений в других. Такие мутанты жизнеспособны, и эволюция может продолжаться.

В эволюционных превращениях могут играть роль два типа изменений генома. Во-первых, при изменении генов могут возникать новые белки. Из-за мутации в последовательности оснований А, Т, G и С может меняться аминокислотная последовательность белка. Если мутация ДНК приводит к замене аминокислоты, может получиться новый белок. Это происходило со многими важными генами и белками организма, такими как гены гемоглобина, которые изучали Цукеркандль и Полинг. Важно понять, что подобное изменение способно затронуть все отделы организма, в которых синтезируется данный белок.

Во-вторых, изменения в геноме могут коснуться переключателей, контролирующих активность генов. После публикации работы Боба Хилла сотрудники лаборатории в Беркли попытались понять, участвовал ли переключатель гена Sonic hedgehog в эволюции конечностей. Они начали со змей – по той причине, что у них вовсе нет ног. Когда из генома змеи вырезали участок, содержащий этот переключатель, и встроили его в геном мыши, в конечностях мыши перестали формироваться пальцы. Со временем стало понятно, что у змей произошли мутации этого переключателя, в результате чего у них исчезли конечности. У змей совершенно нормальный белок Sonic hedgehog, поскольку у них нормальное сердце, спинной мозг и головной мозг. Изменение переключателя, действующего в конечностях, привело к изменению активности гена только в конечностях.

Этот генетический трюк позволяет понять общие механизмы революций в эволюции. Как показывают результаты исследований последних полутора десятков лет, оказывается, за эволюцией таких разнообразных органов и признаков позвоночных и беспозвоночных животных, как череп, конечности, плавники, крылья, форма тела червей и многое другое, стоят изменения переключателей, контролирующих активность генов. Постепенно выясняется, что эволюционные преобразования в меньшей степени связаны с изменением самих генов, чем с изменением времени и места их активности в процессе развития.

Генетик из Стэнфордского университета Дэвид Кингсли почти двадцать лет изучал трехиглых колюшек – мелких рыб, обитающих в морях и пресных водоемах по всему миру. Колюшки бывают очень разными: у одних четыре плавника, у других два, кроме того, они различаются окраской и формой тела. Благодаря такому разнообразию колюшки – прекрасная модель, на которой можно изучать, как генетические изменения приводят к отличиям одних рыб от других. Используя геномные технологии, Кингсли смог обнаружить участки ДНК, отвечающие за большинство этих вариаций. Фактически все эти участки – переключатели, контролирующие активность генов. У рыб с двумя плавниками есть ген с очень сильно измененной активностью, который ингибирует активность другого гена, необходимого для формирования хвостового плавника. Кингсли показал, что это изменение связано не с самим геном, а с переключателем, контролирующим его активность. Догадайтесь, что произошло, когда он взял переключатель от рыбы с четырьмя плавниками и встроил его в геном рыбы, имеющей лишь два плавника? Он восстановил хвостовые плавники, произведя мутанта с четырьмя плавниками от родителей с двумя.