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

Паста из монстров

В 1978 году, когда вышла статья Льюиса о Bithorax, биология переживала технологическую революцию. Во времена Моргана гены были черным ящиком: Морган и его сотрудники могли сопоставлять влияние генов на формирование тела и их положение на хромосоме, но фактически ничего не было известно о том, как действуют гены, не говоря уже о том, что они представляют собой фрагменты ДНК.

В 1980-х годах, всего через несколько лет после публикации статьи Льюиса, биологи уже научились секвенировать гены и видели, в каком участке тела эти гены активно участвуют в синтезе белка. Майк Ливайн и Билл Макгиннис из лаборатории покойного Вальтера Геринга (1939-2014) в Швейцарии получили возможность работать с мутантными дрозофилами, у которых ноги выходили прямо из головы, из того места, откуда обычно растут антенны. Голова насекомого была развита нормально, если не учитывать растущие из нее ноги. Почти так же, как у дрозофил Бриджеса с дополнительными крыльями или у мутантов Бейтсона с переставленными с места на место органами, у этого мутанта произошло смещение частей тела и имелся специфический дефект головного сегмента.

Используя ДНК-технологию, которую Бриджес не мог бы даже вообразить, Ливайн и Макгиннис сумели выделить ответственный за эту мутацию ген. Затем они синтезировали специфический фрагмент ДНК, чтобы проверить, где этот ген проявляет активность в процессе развития. Вспомните, что там, где гены активны, на их основании синтезируется белок. Для синтеза белка нужна еще промежуточная молекула – РНК. Чтобы найти место, где гены “включены”, нужно посмотреть, где образуется РНК. Поэтому исследователи прикрепили краситель к молекуле, которая находит РНК в теле мухи. Если эту конструкцию ввести в развивающийся эмбрион, краситель будет накапливаться в местах активности генов, и его можно обнаружить в теле эмбриона с помощью микроскопа.

Нормальная дрозофила слева и мутантная форма справа.

Этого мутанта назвали Antennapedia, поскольку в том месте, где должна быть антенна, у него была нога

Этот ген мутанта Antennapedia с растущей из головы ногой в норме был активирован в очень специфическом месте – в голове. Более того, он контролировал формирование растущих из головы органов, будь то антенна или, как в случае мутанта, нога. Возможно, вам это что-то напоминает, поскольку то же самое наблюдал Эдвард Льюис, когда изучал хромосомы мутанта Bithorax несколькими годами ранее. Вспомните, что он обнаружил на хромосоме серию расположенных друг за другом генов, специфичных для разных сегментов тела и контролирующих развитие определенных органов. Возможно, этот ген головы был предвестником новых открытий, одним из группы генов, контролирующих развитие всех сегментов тела дрозофилы.

Полученные результаты отсылали Ливайна к статье Льюиса, вышедшей в 1978 году. Он надолго углубился в нее, читая и перечитывая по пятьдесят раз, но, по его словам, по-прежнему “не понимал ее до конца”.

Эта статья заставила Ливайна и Макгинниса проверить одно из главных предположений Льюиса – о том, что похожие гены должны располагаться на хромосоме рядом друг с другом. Выделив один ген, они начали проверять, нет ли в непосредственной близости от него каких-нибудь других похожих генов. Метод анализа был довольно грубым: они превращали тела дрозофил в пасту, выделяли оттуда ДНК, помещали смесь ДНК на гель и добавляли свой ген с красителем. Идея заключалась в том, что их ген будет действовать подобно липучке для ловли мух и связываться со всеми генами со сходной последовательностью. А краситель поможет найти и выделить эти гены.

Результат был однозначным: в геноме оказалось много похожих генов. Определяя последовательность каждого из них, Ливайн и Макгиннис установили, что все связавшиеся с красителем гены имеют небольшой почти идентичный участок ДНК. По удивительному совпадению то же самое открытие независимым образом сделал Мэтт Скотт из Университета Индианы.

Теперь, зная последовательности генов, ученые могли применить те же методы в более широком масштабе и посмотреть, в каких частях тела мухи эти гены проявляют активность в процессе развития и где они располагаются на хромосомах. Используя все те же приемы, которые были придуманы в начале работы с мутантами, ученые из разных лабораторий мира обнаружили нечто неожиданно прекрасное: все эти гены располагаются на хромосоме рядком, и каждый из них активируется в конкретном сегменте тела мухи.

В процессе этой экспериментальной гонки Ливайн беседовал с исследователем из другой лаборатории, и тот заметил, что мухи – не единственные животные с сегментированным строением тела. Тело земляного червя представляет собой трубку, состоящую из сегментов-блоков. Почему бы не посмотреть и на червей? Может быть, их гены тоже соответствуют сегментам тела.

После этого случайного замечания Ливайн и Макгиннис бросились в сад позади здания лаборатории и начали собирать всех противных ползучих существ, каких только смогли найти: червей, мух и разных других насекомых. Выделив из каждого из них ДНК, они стали проверять, нет ли и у них подобной последовательности генов. Такая последовательность нашлась. Но на этом ученые не остановились. Последующие эксперименты показали, что такая последовательность есть в ДНК лягушек, мышей и даже человека.

Дальнейшие исследования на червях, мухах, рыбах и мышах продемонстрировали универсальный принцип строения тел животных. Версии мушиных генов, ответственных за построение тела, обнаруживаются буквально у всех видов, от червей до человека. Все эти гены собраны на хромосоме вместе, как бусины на нитке. И каждый ген, по-видимому, проявляет активность в специфическом сегменте тела – головном, грудном или брюшном. Кроме того, как первым заметил Льюис, положение каждого гена на хромосоме соответствует порядку расположения сегментов от передней до задней части тела.

Статьи об этих генах относились к числу тех, которые повлияли на направление моей работы в области генетики и молекулярной биологии почти четыре десятилетия назад.

В 1995 году Нобелевский комитет признал заслуги Эдварда Льюиса в открытии нового мира в биологии. Принимая награду, Льюис, как обычно, выразился осторожно. В своей Нобелевской речи он сказал, что никакие премии нельзя сравнивать с его первой любовью – “мухами и занятиями наукой”.

Гены Нох, собранные как бусины на нитке, участвуют в построении сегментов тела и мухи, и мыши

Мир жуков, мух и червей – это сборная солянка существ с разным числом сегментов и разными отходящими от них придатками. Представьте себе лобстера с антеннами на лбу, с большими клешнями, малыми клешнями и ногами. Каждый из этих придатков отходит от определенного сегмента тела. У многоножек от всех сегментов тела отходят одинаковые ноги. Летающие насекомые в некоторых сегментах имеют не ноги, а крылья. В теле человека есть позвонки, ребра и конечности. Теперь, зная о существовании этих генов, ученые начали искать ответ на вопрос, как развивалась и эволюционировала базовая архитектура тел животных.

Кэлвин Бриджес обнаружил участок хромосомы, ответственный за появление дополнительного набора крыльев. Эдвард Льюис показал, что в участке содержится несколько генов, каждый из которых активен в определенной части тела. А Ливайн, Макгиннис и Скотт продемонстрировали древнейшее происхождение этих генов у всех видов животных. Появилось новое поколение ученых, вдохновленных этими идеями и решительно взявшихся за выяснение механизмов работы этих генов.

Копипейст

Когда мои дети были совсем маленькими и проводили время на пляже Кейп-Кода, они часто находили в песке крохотных животных, по форме напоминающих креветок. Подталкивая их и наблюдая за реакцией, дети прозвали их “прыгунами”. Эти существа, которых вообще-то называют бокоплавами, или песчаными блохами, имеют светлоокрашенное тело длиной около сантиметра и обычно живут в прибрежном песке. Если их подтолкнуть, они сжимаются и выпрыгивают вверх на несколько десятков сантиметров. Эта известная всем пляжная разновидность – лишь один из восьми тысяч видов. Все они обладают удивительной способностью перемещаться самыми разными способами: они плавают, роют, подпрыгивают. Для этого у них есть все необходимое, как в швейцарском армейском ноже: большие ноги, маленькие ноги, ноги, повернутые вперед, и ноги, повернутые назад. Их название – амфиподы – имеет греческое происхождение и указывает на наличие ног, повернутых вперед и назад: amphi означает “двоякий”, pod — “нога”.

Организовав собственную лабораторию в Чикаго в 1995 году, биолог Нипам Патель пытался найти идеальное животное для изучения функции генов в построении тела. Поскольку амфиподы имеют множество разнообразных ног, он счел их подходящим объектом для изучения генов Льюиса. Несколько лет он провел за исследованием немецких монографий XIX века в поисках лучшего вида амфипод для лабораторной работы. XIX век прославился качеством анатомических иллюстраций и описаний – целые отделы библиотечных комнат посвящены описаниям различных групп животных. Вооружившись знаниями, почерпнутыми из текстов и литографий, Патель разработал план, который превосходным образом совмещался с его давнишним хобби.

Посещение дома Пателя в Чикаго подразумевало осмотр гигантского аквариума с соленой водой, установленного посреди гостиной. Патель был страстным любителем аквариумных животных, и опыт налаживания системы фильтрации для собственного аквариума подсказал ему одну идею. Очень трудно поддерживать систему в чистоте, особенно избавляться от мелких беспозвоночных животных, собирающихся и размножающихся на фильтре. Патель ничего не мог с этим поделать, но заметил, что в глубине ила живут мелкие беспозвоночные. По-видимому, это убежище привлекало их тем, что на фильтре скапливались частицы пищи.

Так у Пателя родилась идея. Если этим мелким существам нравится фильтрационная система его домашнего аквариума, представьте себе, какое разнообразие существ можно найти в иле из гигантских бассейнов в аквариуме Шедда в Чикаго. В бассейнах жили акулы, скаты, более пятидесяти видов крупных рыб, а время от времени туда даже спускался экскурсовод с аквалангом. Патель отправил в аквариум студента с ведром, чтобы проверить, что можно найти в фильтрационной системе. Он рассчитывал, что в этой грязи скрываются живучие маленькие существа, которых можно использовать в лаборатории.

Фильтры аквариума Шедда оказались раем для мелких беспозвоночных. Студент Пателя целыми днями скоблил фильтры и разглядывал под микроскопом поселившихся там существ. Одно из них, бокоплав под названием Ратку ale, казалось наиболее подходящим объектом для исследований. Это мелкое существо быстро размножается и быстро достигает взрослого возраста. Кроме того, оно имеет множество разных придатков – словом, могло стать идеальным экспериментальным животным. Патель начал размножать Parhyale в лаборатории и ставить на них эксперименты. Морган использовал мух, чтобы понять механизмы наследования; Патель решил использовать амфипод, чтобы выяснить, как на основании генов формируются тела.

Вскоре после извлечения Parhyale из чикагского аквариума Патель перебрался в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы начать программу исследований, посвященных изучению этих существ. Беркли, Патель и Parhyale оказались удачным сочетанием, поскольку в Беркли работала Дженнифер Даудна – одна из тех, кто открыл новый способ редактирования генома, названный CRISPR-Cas[14]. С помощью этой технологии исследователи могут прицельно воздействовать на конкретные участки генома, используя два типа инструментов – молекулярный “скальпель” для разрезания ДНК и зонд, доставляющий “скальпель” в нужное место. В 2013 году Даудна и ее коллеги из разных стран мира показали, что метод позволяет с высокой точностью разрезать и редактировать ДНК организмов разных видов. “Скальпель” CRISPR можно использовать для извлечения генов из генома. Изучая развитие эмбрионов, ученые могут видеть, какой эффект производит удаление конкретных генов. Еще более сложные эксперименты позволяют осуществлять замену или исправление последовательности генов.

Мощь этой технологии стала источником новой идеи Пателя: а что, если отредактировать гены Parhyale таким образом, чтобы они активировались в других сегментах тела? Удастся ли таким путем переместить конечности и другие части тела?

У Parbyale конечности расположены вдоль всего тела, и каждый сегмент содержит специфические конечности. На голове располагаются антенны, а затем следуют сегменты с элементами ротового аппарата. (Мы называем челюсти и мандибулы беспозвоночных придатками или конечностями, поскольку, как конечности, они отходят в стороны от сегментов тела.) Грудной сегмент снабжен более крупными конечностями: одни повернуты вперед, другие назад. От брюшного сегмента отходят мелкие конечности: более густые и длинные в передней части и более короткие в задней.

[14] В 2020 году за разработку системы редактирования генома CRISPR-Cas (произносится “криспер-кас”) американка Дженнифер Даудна и француженка Эммануэль Шарпантье были награждены Нобелевской премией по химии; работу с системой CRISPR в 1990-х годах первым начал испанский биолог Франсиско Мохика (см. ниже).