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

Хромосомы комара Chieronomus prope pulcher с белыми и черными полосами

Теперь известно, что гены представляют собой участки ДНК, плотно упакованной в виде хромосом. Хромосомы располагаются в клеточном ядре, и при определенных условиях их можно разглядеть с помощью микроскопа. Морган ничего не знал о ДНК, но мог видеть хромосомы. Они стали его окном в мир генов.

Морган придумал хитроумный способ связывать анатомию мутантов с их генетическим содержимым. Его группа обнаружила, что в слюнных железах дрозофил содержатся гигантские хромосомы. Если извлечь эти хромосомы и обработать их красным красителем, выделенным из лишайника, на хромосомах проявляется череда белых и черных полос – одни узкие, другие широкие. Морган зарисовывал расположение белых и черных полос у нормальных мух и у мутантов. Сравнивая расположение полос, он мог видеть, в каком участке хромосомы имелись различия и где, соответственно, находилось генетическое изменение, ответственное за мутацию.

Дрозофилы питались гниющими бананами, так что в лаборатории Моргана пахло как на помойке – а ведь сотрудникам приходилось часами сидеть за микроскопом. При таких условиях работать в группе Моргана могли только особенные люди, которые, несмотря ни на что, умудрялись сконцентрировать внимание на телах дрозофил, мутантах и полосах на хромосомах. На кону стоял один из главных вопросов о жизни: как информация передается из поколения в поколение?

Поначалу лаборатория Моргана в Колумбийском университете ютилась в тесном помещении, где содержали, размножали и анализировали под микроскопом мух. В этой лаборатории, прозванной “мушиной комнатой”, проводили исследования самые знаменитые биологи начала XX века, поскольку Морган привлекал к работе лучшие умы. Проведя 14 лет в Колумбийском университете, в 1928 году Морган переехал вместе со всей лабораторией в Калифорнийский технологический институт, а в 1933-м был удостоен Нобелевской премии.

Один из первых студентов Моргана прославился благодаря своему особому умению работать с дрозофилами. Кэлвин Бриджес (1889-1938) обладал не только наметанным глазом для обнаружения мутантных дрозофил, но и терпением, чтобы часами их выискивать. Бриджес видел едва заметные различия между мухами, которых не видели другие. Он придумал и технические новшества: использование бинокулярного микроскопа расширяло поле зрения и помогло обнаружить, что дрозофилы прекрасно могут питаться агаром. Это позволило произвести в лаборатории значительные изменения: “мушиная комната” больше не пахла гнилыми бананами.

Кэлвин Бриджес и его знаменитая прическа

Бриджес, с копной непослушных волос, которые, казалось, опровергали законы физики, был беспокойной душой. Если он не работал в лаборатории, он иногда пропадал на неопределенный срок. Однажды он вынырнул с рисунками придуманного им нового автомобиля. Ходило множество слухов о его амурных приключениях, и Моргану эти дела не нравились. Из-за шумихи вокруг его частной жизни Бриджес не смог получить постоянную работу в Калтехе. Когда он умер, не дожив до 50 лет, в лаборатории поговаривали, что его убили из ревности. Грустно, но реальность была не менее трагична. Не так давно один мой коллега генетик попросил своего брата, окружного прокурора Лос-Анджелеса, отыскать свидетельство о смерти Бриджеса. Бриджес умер от осложнений сифилиса.

Информация о частной жизни Бриджеса не выходила за пределы лаборатории. Его вклад в работу был настолько велик, что Морган разделил денежное вознаграждение, причитавшееся ему как лауреату Нобелевской премии, с семьей безвременно скончавшегося Бриджеса.

Хотя Бриджес был известен способностью находить мутантов с едва заметными отличиями в окраске, форме крыльев или расположении щетинок, одно из его самых известных открытий касалось сравнительно заметного изменения. Проглядеть его не смог бы даже неопытный человек. Название Bithorax говорит само за себя: вместо двух грудных сегментов с крыльями эта муха имела четыре. Удвоился большой участок тела, включая крылья.

Бриджес зарисовал тело мухи и описал его строение. А затем сделал то, что делают генетики, когда находят мутантов: он вырастил таких мутантов в лаборатории в Калтехе. И получил колонию мутантов, которую можно поддерживать бесконечно долго.

Бриджес хотел найти участок хромосомы, в котором произошла эта мутация. Используя метод Моргана с окраской хромосом из слюнных желез, он обнаружил участок хромосомы четырехкрылого мутанта с иным расположением полос, чем у нормальных мух. Мутант Bithorax появился в результате изменения большого участка хромосомы дрозофилы.

Нормальная дрозофила (слева) и мутант Bithorax (справа)

Попытки Моргана и Бриджеса понять появление одного признака у дрозофилы открыли новый мир с новыми задачами и возможностями. Они и другие ученые показали, что различные признаки мух наследуются. От одного поколения к следующему передается какой-то биологический материал, который позволяет развивающемуся эмбриону мухи выращивать крылья в правильном месте. Мутанты Бриджеса показали, что этот материал находится где-то в последовательностях мушиных хромосом. Но что это за материал, который отвечает за построение органов и тел, и как он творит чудеса? Может ли он рассказать нам о том, как создаются тела и как они эволюционировали на протяжении миллионов лет?

Бусины на нитке

У Эдварда Льюиса (1918-2004) интерес к мухам возник после того, как он увидел рекламное объявление в газете. Льюис родился в Уилкс-Барре в Пенсильвании, был невероятно любознательным и часами просиживал в местной библиотеке. Увидев объявление о фруктовых мухах, он показал его в своем школьном биологическом кружке. В кружке вывели колонию дрозофил, и Льюис начал с ними экспериментировать.

Льюис поступил в Калтех в 1939 году, через год после смерти Бриджеса, чтобы обучиться генетическим методам, разработанным в “мушиной комнате”. Это был очень спокойный человек с удивительно регулярным распорядком дня. Раннее утро он проводил в лаборатории, ровно в восемь шел заниматься спортом, потом опять работал в одиночестве, шел на ланч в знаменитый факультетский клуб “Атенеум”, затем опять работал, а перед ужином играл на своей любимой флейте. Как Бриджес, он обладал удивительной способностью по многу часов разглядывать дрозофил под микроскопом. Рассказывают, что его любимым временем были тихие вечера в лаборатории после ужина. Для Льюиса поиски и разведение мутантных дрозофил служили чем-то вроде медитации.

Эдвард Льюис со своей флейтой в гостях у друга

Помещение, где Бриджес разработал важные технические новшества, все еще функционировало, там разводили знаменитых мутантов Bithorax. Льюис знал об этих мутантах и имел кое-какие идеи относительно их строения. Поскольку карта Бриджеса показывала, что мутация у Bithorax охватывает несколько хромосомных полос, Льюис подозревал, что на этом участке может располагаться не один, а несколько генов, ответственных за развитие эмбриона.

Пытаясь найти способ извлечения генетического материала, ответственного за построение дополнительных крыльев, Льюис разработал новую, но весьма трудоемкую методику изучения Bithorax. Этой работой он занимался несколько десятков лет, и за десятилетие не опубликовал ни одной статьи, поскольку все свое время посвящал работе с Bithorax. Шестистраничная статья, вышедшая в 1978 году, была столь же революционной, сколь непостижимой. Чтобы полностью понять смысл, ее нужно прочесть несколько раз, поскольку в ней содержится множество идей, возникших за годы размеренной жизни с мухами.

Льюис разработал новый мощный метод: он удалял значительный участок хромосомы мухи и смотрел, какой эффект окажет отсутствие этого участка на развитие тела насекомого. А затем последовательно добавлял маленькие фрагменты из удаленного участка и опять смотрел, что происходит с телом. Такой подход позволил ему определить, за что отвечают отдельные фрагменты хромосомы.

Мне это напоминает диету, называемую “чисткой организма”, которая периодически входит в моду. Люди несколько дней голодают, а потом постепенно и последовательно вводят в свой рацион отдельные группы продуктов в разных сочетаниях. Полностью отказавшись от еды, а потом на протяжении нескольких дней добавляя, например, только молочные продукты и яйца, можно понять, как яйца, молоко или сыр влияют на энергетическое состояние и настроение. Если после воздержания от еды добавлять продукты в разных сочетаниях, можно наблюдать влияние, например, молочных продуктов и темно-зеленых листовых овощей. Льюис сделал то же самое с большим участком хромосомы мутанта Bithorax: сначала он полностью извлек его и получил взрослое животное, чтобы посмотреть на произведенный эффект, а затем встраивал обратно небольшие кусочки по отдельности и в разных сочетаниях в другие эмбрионы, отмечая их роль в формировании тел мух при развитии взрослых особей.

Придуманный Льюисом генетический вариант “копипейста” позволил понять, что Bithorax возникает в результате действия не одного гена, а группы из многих генов. Гены на хромосоме сидят рядком, как жемчужины в ожерелье. Льюис подумал, что в эмбрионе эти гены должны работать сообща, но при этом каждый выполняет собственную функцию. Однако самое удивительное заключалось в другом.

Тело мухи от передней до задней части состоит из сегментов: голова, грудь и брюшко. На каждом сегменте есть специфические отростки: антенны и ротовые придатки на голове, крылья на груди и ноги и церки на брюшке[13]. Льюис обнаружил, что все гены в хромосомном участке Bithorax контролируют развитие разных сегментов тела мухи. Один ген размещает антенны на голове, другой – крылья на груди, а третий – ноги на брюшке. Эти гены отвечают за общую архитектуру тела. Организация тела от передней до задней части запрограммирована на генетическом уровне. К всеобщему удивлению, оказалось, что структура тела, как в зеркале, отражается в положении генов на хромосоме: гены, активные в области головы, находятся на одном конце последовательности, активные в области брюшка – на другом конце, а те, которые участвуют в формировании грудного сегмента, располагаются в середине. Организация тела отражается в активности и структуре генов.

Хотя открытия Льюиса были необычайно интересными, многие биологи полагали, что они касаются только мух. Понятное дело, сегменты тела мух отличаются от частей тела других животных, таких как рыбы, мыши или люди. У мух нет позвоночника, спинного мозга и других структур, имеющихся в телах вроде нашего. А рыбы, мыши и люди не имеют антенн, крыльев и щетинок.

Еще более значительное отличие заключается в процессе развития мух. Большинство животных в процессе развития состоят из миллионов разных клеток, каждая из которых имеет собственное ядро. Эмбрион мухи выглядит как единственная клетка с множеством ядер, похожая на гигантский мешок с генетическим материалом. Если вы собираетесь изучать общие закономерности развития и эволюции животных, трудно вообразить менее подходящее существо, чем муха.

[13] У большинства насекомых ноги, как и крылья, являются придатками грудного отдела.