Дадим акуле руку
Дадим акуле руку
Рэнди Дан пришел в мою лабораторию с простой, но довольно изящной идеей: обработать эмбрионы скатов так же, как Клифф Тейбин обрабатывал куриные яйца. Замысел Рэнди состоял в том, чтобы провести на скатах все эксперименты, проведенные на куриных яйцах учеными, изучавшими развитие кур, от хирургических операций на тканях Сондерса и Цвиллинга до генетических экспериментов Клиффа Тейбина. Развитие зародыша ската проходит внутри яйца, покрытого своеобразной скорлупой и содержащего запас желтка. К тому же эмбрионы у скатов довольно крупные, сравнимые по размеру с эмбрионами курицы. Все эти свойства были очень кстати — они позволяли нам изучать эмбрионы скатов, пользуясь генетическими, хирургическими и другими методами, разработанными для изучения куриных эмбрионов.
Что мы могли бы узнать, сравнивая развитие плавника ската или акулы с развитием крыла или ноги цыпленка? И, что еще важнее, что могли бы мы узнать о себе самих из такого сравнения?
Конечности цыплят как показали Сондерс, Цвиллинг и Тейбин, представляют собой на удивление хорошую модель для изучения развития наших собственных конечностей. Все, что открыли Сондерс и Цвиллинг, вырезая и вживляя кусочки ткани, и все, что установили Тейбин и его коллеги в своих опытах с ДНК, с тем же успехом относится и к нашим конечностям. У нас тоже есть ЗПА, тоже есть Sonic hedgehog, и для нашего нормального развития они играют ту же ключевую роль. Как мы уже убедились, неправильно работающая ЗПА или мутация в гене Sonic hedgehog могут привести к серьезным деформациям конечностей, причем и у человека тоже.
Рэнди хотел узнать, насколько механизм формирования наших конечностей отличается от такого механизма у акул и скатов. Насколько глубока наша связь с остальными живыми существами? Новый ли рецепт обеспечивает правильное формирование наших рук, или он имеет глубокие корни в других существах? И если имеет, то насколько глубокие?
Акулы и их родственники — самые древние существа, у которых плавники имеют скелетную основу. В идеале, чтобы ответить на вопрос Рэнди, надо было бы добыть ископаемую акулу возрастом 400 миллионов лет, привезти ее в лабораторию, разрезать на кусочки и посмотреть на ее гены. Затем надо было бы поэкспериментировать с эмбрионами ископаемого, чтобы узнать, работает ли в зачатках их плавников ген Sonic hedgehog и включается ли он там же, где он включается в зачатках наших конечностей. Это был бы чудесный эксперимент, но, к сожалению, провести его невозможно. Из таких древних ископаемых уже нельзя извлечь ДНК, а если бы и можно было, все равно нам не удалось бы заполучить эмбрионы этих ископаемых, чтобы проводить на них наши опыты.
Поэтому мы обращаемся к следующему по качеству объекту — современным акулам и их родственникам. Плавник акулы никто не перепутает с человеческой рукой — сложно представить себе две более непохожих конечности. Не только сами акулы состоят с человеком в довольно далеком родстве, но и скелетная основа их плавников совсем не похожа на скелет наших конечностей. В плавниках акулы нельзя найти ничего, даже отдаленно напоминающего оуэновское «кость — две кости — много косточек — пальцы». Вместо этого внутри акульего плавника находятся кости, похожие на прутья: длинные и короткие, широкие и узкие. Мы их называем костями, но на самом деле они состоят из хрящевой ткани (акул и скатов именуют хрящевыми рыбами, потому что их скелеты никогда не затвердевают до состояния настоящих костей). Если уж мы решили выяснить, уникальны ли функции гена Sonic hedgehog для наземных позвоночных, то почему бы не посмотреть на животное, во многих отношениях совсем другое? Кроме того, почему бы не выбрать представителя самых примитивных из современных позвоночных, у которых вообще имеются парные конечности? Акулы прекрасно подойдут и для того и для другого.
Наша первая задача была довольно проста. Нам нужен был надежный источник эмбрионов акул и скатов. Оказалось довольно сложно найти способ регулярно получать яйца акул, но со скатами, их близкими родственниками, дела обстояли лучше. В итоге мы начали наши эксперименты с акул и перешли на скатов, когда запасы акул иссякли. Мы нашли поставщика, который примерно раз в пару месяцев присылал нам контейнер с двадцатью-тридцатью яйцами с эмбрионами внутри. У нас, как у туземцев-островитян, выработался настоящий карго-культ, когда мы каждый месяц с нетерпением ожидали прибытия драгоценных эмбрионов.
Результаты, полученные Тейбином и другими генетиками, помогли Рэнди правильно спланировать эксперименты. Со времени работы Тейбина 1993 года ген Sonic hedgehog был найден уже у очень многих видов позвоночных, от рыб до людей. Зная строение гена Sonic hedgehog, Рэнди мог «просмотреть» ДНК ската и акулы в поисках этого гена. Очень скоро он нашел его — акулий Sonic hedgehog.
Теперь нужно было ответить на следующие два главных вопроса. Где в эмбрионе акулы работает Sonic hedgehog? И, что еще важнее, что именно он делает?
Работая с яйцами скатов, Рэнди установил, где и когда включается Sonic hedgehog в ходе развития их эмбрионов. Вначале он выяснил, когда происходит включение этого гена — на том же этапе развития конечности, что у цыпленка, или нет. Оказалось, что на том же. Затем он выяснил, включается ли этот ген на участке ткани на заднем краю плавника, который соответствует нашей стороне мизинца. И снова оказалось, что именно там. Затем он провел эксперименты с витамином А. Это был самый захватывающий этап. Если обработать зачаток конечности цыпленка или млекопитающего этим соединением, то на стороне большого пальца появится еще один участок, на котором работает ген Sonic hedgehog, и это приведет к удвоению костей конечности. Рэнди ввел витамин А в эмбрионы, подождал около суток и затем проверил, вызывает ли витамин А у зародышей скатов, как и у зародышей курицы, включение гена Sonic hedgehog на противоположной стороне конечности. Оказалось, что вызывает. Теперь нам предстояло долго ждать. Мы уже узнали, что Sonic hedgehog в зачатках плавников акул и скатов вел себя так же, как в зачатках наших рук и куриных крыльев. Но какое действие окажет все это на формирование скелета? Ответа пришлось ждать два месяца.
Эмбрионы развивались внутри непрозрачной оболочки яиц. Все, что мы могли узнать, — жив ли эмбрион. То, что находится внутри его плавников, увидеть было нельзя.
Полученный в итоге результат явил нам поразительный пример свойства, которое объединяет нас с акулами и скатами: зеркально отраженный плавник. Внутренние структуры грудных плавников удвоились в направлении голова-хвост точно так же, как удваиваются в таких экспериментах крылья цыпленка. Структуры крыла удваиваются, отражая друг друга. Структуры плавника акул, а также и скатов делают ровно то же самое. Ген Sonic hedgehog действует сходным образом при формировании скелетной основы самых разнообразных конечностей.
Как вы, возможно, помните, один из эффектов гена Sonic hedgehog состоит в том, что он делает пальцы одной конечности разными, отличными друг от друга. Как мы видели на примере опытов с ЗПА, какой именно палец разовьется, зависит от его близости к месту, где работает Sonic hedgehog. Нормальный плавник взрослого ската содержит множество напоминающих прутья скелетных элементов, похожих друг на друга. Можем ли мы сделать так, чтобы эти прутья были разными, как наши пальцы? Рэнди взял небольшой шарик, пропитанный белком, производимым геном Sonic hedgehog, и внедрил его в зачаток плавника между двумя одинаковыми прутьями. Но при этом он использовал продукт не собственного Sonic hedgehog ската, а мышиного Sonic hedgehog. Вот какой хитрый эксперимент: мы получили эмбрион ската, в плавник которого внедрен шарик, из которого постепенно выходит белок мышиного гена Sonic hedgehog. Подействует ли этот мышиный белок на развитие ската?
В результате такого эксперимента можно получить два противоположных результата. Одна крайность — если ничего не произойдет. Это означало бы, что скаты так сильно отличаются от мышей, что мышиный белок гена Sonic hedgehog на них не действует. Другая крайность — это если скелетные элементы плавника в ходе развития станут отличаться друг от друга, демонстрируя тем самым, что ген Sonic hedgehog работает сходным образом и у мышей, и у скатов. И не будем забывать о том, что Рэнди использовал белок млекопитающего, то есть наш собственный белок, производимый этим геном, очень, очень похож на мышиный.
В итоге оказалось, что скелетные элементы в плавнике ската не только стали отличаться друг от друга, но и отреагировали на мышиный Sonic hedgehog в целом именно так, как реагируют пальцы наземных позвоночных, в зависимости от того, насколько близко они находились к источнику белка Sonic hedgehog. Форма «пальцев», ближайших к шарику, отличалась от формы «пальцев», удаленных от шарика. И этот эффект, помимо всего прочего, производился у скатов мышиным белком!
Нормальные плавники (справа) и плавники эмбрионов, которые Рэнди обработал витамином А. Плавники обработанных эмбрионов оказываются зеркально удвоены, совсем как крылья у аналогичным образом обработанных цыплят. Фотографии любезно предоставил Рэндалл Дан (Чикагский университет).
Рыба, которую нашел в нас Рэнди, проявлялась не в какой-нибудь одной кости или в какой-нибудь части скелета. Эта рыба проявлялась в тех биологических механизмах, которые обеспечивают формирование конечностей у эмбрионов. Множество экспериментов, проведенных на таких разных организмах, как мыши, акулы и даже мухи, показывает, что гены Sonic hedgehog и просто hedgehog у всех организмов действуют сходным образом. Любые конечности, будь то плавники или конечности наземного позвоночного, формируются под управлением сходного набора генов. Но что это дает для решения той проблемы, о которой мы говорили в первых двух главах, — проблемы превращения рыбьих плавников в конечности наземных животных? Вот что: это великое эволюционное преобразование не требовало появления новой ДНК, а могло произойти во многом лишь за счет изменений древних генов, участвующих в развитии рыбьих плавников. Претерпев некоторые изменения, эти гены смогли обеспечить формирование конечностей наземных позвоночных, наделенных настоящими пальцами.
Но кроме того, эти эксперименты с крыльями и плавниками по-настоящему красивы. Лаборатория Тейбина работала с мухами, чтобы найти куриный ген, который позволяет понять причины врожденных человеческих аномалий. Рэнди использовал открытие лаборатории Тейбина, чтобы поведать нам что-то о нашем родстве со скатами. Муха, найденная в курице, помогла Рэнди в конечном итоге найти в нас ската. Связи, объединяющие живых существ, очень глубоки.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.