Глава IV ОСОБЫЙ  ПОСЛАННИК

Глава IV

ОСОБЫЙ  ПОСЛАННИК

Митохондрии — это мельчайшие образования, которые есть в каждой живой клетке. Они располагаются не в ядре клетки, крохотном мешочке в центре клетки, в котором находятся хромосомы, а вне его — в заполняющей клетку среде, которая называется цитоплазмой. Работа, которую выполняют в клетке митохондрии, состоит в том, чтобы помогать клетке, используя кислород, получать энергию. Чем деятельнее клетка, тем больше энергии ей требуется, тем, стало быть, больше митохондрий она содержит. Клетки активных тканей, например, мышечной, нервной, а также клетки мозга содержат до тысячи митохондрий каждая.

Каждая митохондрия ограничена двойной мембраной, внутри сложнейшей мембранной структуры находятся все ферменты, участвующие в конечном этапе кислородного обмена. Это то место, где горючее, которое мы поставляем в организм в виде пищи, сгорает в море кислорода. Здесь нет языков пламени, а кислород здесь находится в растворенном виде, однако происходящие здесь процессы вполне сопоставимы с тем, что происходит в газовой горелке или моторе автомобиля, и горение здесь тоже имеет место. Горючее и кислород соединяются и производят энергию. Энергия в горелках, печках и моторах имеет облик тепла и света. Когда топливо сгорает в митохондрии, она не начинает светиться, а вот тепло выделяется — часть того тепла, которое дают митохондрии, расходуется на поддержание температуры тела. Однако основной продукт — это высокоэнергетичные молекулы вещества, которое называется АТФ; оно-то используется организмом практически повсюду, от сокращения сердечной мышцы до процессов в нервных окончаниях сетчатки ваших глаз, которые сейчас читают эту страницу, и клеток вашего мозга, которые обрабатывают полученную от глаз информацию.

В глубине каждой митохондрии имеется крошечный фрагментик ДНК, мини-хромосома, длина которой очень мала — всего шестнадцать с половиной тысяч оснований. Это действительно очень мало по сравнению с хромосомами ядра, содержащими три тысячи миллионов оснований. Сам по себе факт наличия ДНК в митохондрии оказался для всех полной неожиданностью. Но к тому же она весьма необычна во всех отношениях. Начнем с того, что двойная спираль этой ДНК замкнута в окружность. Циркулярные хромосомы известны у бактерий и других микроорганизмов, но в многоклеточных организмах и тем более у человека их нет. Следующий сюрприз состоит в том, что генетический код в митохондриальной ДНК слегка отличается от кода в ДНК ядерных хромосом. Митохондриальные гены содержат код участвующих в обработке молекул кислорода ферментов, тех самых, которые трудятся в митохондрии. Однако многие гены, управляющие процессами, происходящими в митохондриях, надежно внедрены в хромосомы ядра.

В чем причина таких странностей? Современное объяснение звучит фантастично. Есть гипотеза, согласно которой митохондрии некогда были свободно живущими микроорганизмами, которые очень давно, сотни миллионов лет назад, внедрились в более развитые клетки и стали жить в них. Можно назвать их паразитами, а можно сказать, что возник симбиоз, в котором клетки и митохондрии стали полезными друг для друга. Клетки получили громадную выгоду — способность использовать кислород. Ведь с помощью кислорода можно производить гораздо больше молекул АТФ, чем без него. В свою очередь митохондрии, очевидно, сочли жизнь внутри клетки более удобной, чем самостоятельное существование в среде. Постепенно, за миллионы лет, некоторые митохондриальные гены перекочевали в ядро клетки и остались там. Это значит, что отныне митохондрии стали пленницами клеток и не могут перейти к свободному образу жизни, даже если бы захотели. Их существование в клетке узаконено и закреплено генетически. Даже сейчас можно видеть следы неудавшихся попыток обмена генами между митохондрией и ядром. Ядерные хромосомы изобилуют фрагментами — обломками митохондриальных генов, которые перебрались в ядро в ходе эволюции. Они не в состоянии принимать участия ни в какой деятельности, потому что эта их целостность нарушена. Так что они просто «сидят» там, словно молекулярные ископаемые, напоминания о неудачных перемещениях, происходивших в далеком прошлом.

Митохондрии имеют и еще одну уникальную черту. В отличие от ДНК в хромосомах ядра, которая достается нам в наследство от обоих родителей, митохондрии каждый из нас получает только от одного из родителей — от матери. Цитоплазма человеческой яйцеклетки буквально набита ими — она содержит четверть миллиона митохондрий. Клетки же спермы бедны митохондриями — их буквально несколько штук, ровно столько, чтобы сперматозоиду хватило энергии доплыть до яйцеклетки и проникнуть в нее. После успешного оплодотворения сперматозоид, доставивший к пункту назначения свой набор ядерных хромосом, больше в митохондриях не нуждается, и они отбрасываются вместе с хвостом-жгутиком. В располневшей оплодотворенной яйцеклетке теперь содержится ядерная ДНК, полученная от обоих родителей, но при этом единственные митохондрии в ее цитоплазме — те, что находились там все время, и все они попали туда от матери. Вот по этой простой причине митохондриальная ДНК всегда наследуется по материнской линии.

Оплодотворенная яйцеклетка делится раз за разом, формируя вначале эмбрион, затем плод, который в конечном итоге превращается в новорожденного младенца, и, наконец, вырастает во взрослого человека. В ходе этого процесса единственные митохондрии, которые можно обнаружить,— это копии оригинальных митохондрий из материнской яйцеклетки. Хотя митохондрии имеются во всех клетках тела и у мужчин, и у женщин, однако детям по наследству их передают только женщины, потому что только у женщин в организме развиваются яйцеклетки. Отцы передают потомству ядерные хромосомы с ДНК, но их митохондриальная ДНК к последующим поколениям не переходит.

Время от времени в ДНК, как митохондриальной, так и ядерной, происходят незапланированные изменения просто потому, что в процессе копирования при делении клеток случаются сбои и ошибки. Клетки снабжены особыми механизмами, которые отлавливают и исправляют большую часть подобных ошибок, но время от времени их бдительности оказывается недостаточно, и нарушителям удается проскользнуть. Если такие мутации возникают в клетках, из которых впоследствии разовьются яйцеклетки и сперматозоиды (такие клетки называются половыми), то они могут передаться и последующим поколениям. Мутации, возникающие в других клетках тела, называемых соматическими, из которых не будут развиваться половые клетки, не могут быть переданы дальше. Большая часть генных мутаций вообще не имеет никакого значения. Лишь изредка, если мутация поразит или выведет из строя какой-нибудь важный для жизни ген, ее удается заметить. В худшем случае такие мутации могут привести к серьезному наследственному заболеванию, о некоторых из них мы поговорим в следующей главе, но по большей части они безвредны.

Уровень возникновения мутаций в ядерных хромосомах чрезвычайно низок — грубо говоря, в норме при каждом делении клетки мутирует одно азотистое основание из тысячи миллионов. В митохондриях же контроль за ошибоками не настолько отлажен, поэтому мутации возникают примерно раз в двадцать чаще. Это означает, что в митохондриальной ДНК можно обнаружить существенно больше изменений, чем в отрезке ядерной ДНК той же длины. Другими словами, «молекулярные часы», с помощью которых мы, посредством мутаций в ДНК, можем определять время, в митохондриях тикают намного быстрее по сравнению с ядром. Это делает митохондрии даже более привлекательными в качестве инструмента для исследования эволюции человека. Если уровень мутаций был бы чересчур низким, то у подавляющего большинства людей на Земле митохондриальная ДНК была бы совершенно одинаковой, и из-за малого числа изменений было бы практически невозможно заметить происходящее со временем развитие.

А нас ждала и еще одна награда. Мутации, конечно, обнаруживаются по всей окружности митохондриальной ДНК, и Аллан Уилсон со своими студентами в «Митохондриальной ДНК и эволюции человека» изучали ее целиком. Однако имеется коротенький отрезок ДНК, где мутации особенно часты. Этот участок, длиной около пятисот оснований, назвали контрольным регионом. Ему удалось накапливать особенно большое количество мутаций благодаря тому, что, в отличие от остальной части митохондриальной ДНК, он не несет каких-то конкретных кодов. Если бы они там были, тогда повышенное количество мутаций могло повлиять на функционирование митохондриальных ферментов. Такое порой случается, если мутации поражают другие участки митохондриальной ДНК, вне контрольного региона. Некоторые редкие неврологические заболевания развиваются как раз оттого, что мутации этих генов выводят из строя важные части митохондриального механизма. Такие митохондрии из-за того, что слишком сильно повреждены, редко выживают, а следовательно, следующим поколениям они передаются лишь в исключительных случаях. Поэтому такие мутации постепенно сглаживаются и, наконец, исчезают вовсе. С другой стороны, мутации контрольного региона не исчезают именно потому, что зона не имеет никаких специфических функций. Эти мутации нейтральны. Создается впечатление, что, хотя для того, чтобы митохондрия могла правильно разделиться, этот участок ДНК должен находиться на своем месте, его собственная точная последовательность при этом большой роли не играет.

Таким образом, для нашего исследования эта ситуация просто идеальна: короткий отрезок ДНК, до отказа набитый нейтральными мутациями. Конечно, куда быстрее и дешевле считывать последовательность этого участка, всего пятьсот оснований, чем последовательность всей митохондриальной ДНК, в которой оснований, как вы помните, шестнадцать тысяч. Но окажется ли контрольный регион стабильным настолько, чтобы можно было опираться на нее в эволюционных исследованиях? Что, если контрольный регион мутирует себе напропалую в каждом поколении, да еще и с непомерно высокой частотой? В этом случае было бы практически невозможно отследить хоть какие-то закономерности на больших отрезках времени. Нам уже было понятно из работы Аллана Уилсона, что если мы хотим с помощью митохондриальной ДНК копнуть поглубже генетическую историю своего вида, Homo sapiens, то придется углубиться как минимум на 150 тысяч лет человеческой эволюции — примерно шесть тысяч поколений, считая по 25 лет на поколение. Если мутации в контрольном регионе окажутся слишком беспорядочными или бурными, будет очень трудно, чтобы не сказать невозможно, различить важные сигналы и выделить их среди всех случайных изменений на протяжении нескольких поколений. Нам необходимо было найти способ удостовериться в том, что это не так, прежде чем замахиваться на масштабное и требующее колоссальных денежных и временных затрат исследование. Каким образом проверить это и получить убедительные подтверждения?

В идеале мне хотелось найти побольше людей из числа ныне живущих, для которых удалось бы доказать связь по материнской линии от одной-единственной женщины. Когда я занимался исследованиями в области медицинской генетики, изучая наследственное заболевание костей, то мне приходилось иметь дело с большими семьями; теперь я извлек из архивов списки, в которые вносил когда-то многочисленных родственников и предков.

Списки уходили вглубь на много поколений, однако, к моему разочарованию, в них было до обидного мало непрерывных материнских линий, которые связывали бы живых членов семейств. Конечно, можно было обратиться за помощью к семьям, чтобы выйти на других, не вошедших в мои таблицы родственников; правда, это была бы слишком долгая история. И все же казалось, что другого выхода не существует, так что я со вздохом принялся выписывать адреса и фамилии. В тот вечер, по пути домой, я пытался придумать, как еще можно выйти из положения, и тут меня осенило — то есть я испытал то редкое состояние, когда из дальних закоулков разума всплывает нечто, какая-то невнятная мысль, и в считанные доли секунды человек понимает, что нашел решение проблемы, еще даже не успев сообразить, в чем же именно оно состоит. В данном случае я внезапно вспомнил о золотистом хомячке.

Когда я был маленьким мальчиком, то прочитал в детской энциклопедии, что все золотистые хомячки — зверьки, которых держат в качестве домашних питомцев по всему миру, что все они являются потомками одной-единственной самки. Я могу с уверенностью сказать, что не вспоминал о прочитанном в течение десятилетий. И лишь теперь это всплыло в моей памяти. Я отчетливо помню, как подумал, что это не может быть правдой. А что, если все же правда? Тогда это идеальная модель для проверки стабильности контрольного региона. Если все золотистые хомячки мира представляют собой прямую линию потомков по материнской линии от этой «праматери всех хомячков». Следовательно, все они должны были унаследовать от нее митохондриальную ДНК, ведь у хомячков она передается по материнской линии, точно так же, как и у людей. Оставалось только собрать образцы ДНК у как можно большего количества живых хомячков и сравнить последовательность азотистых оснований в контрольном регионе. И если и вправду все началось с одной самки, то не нужно было кропотливо отслеживать родословные — ведь они в любом случае привели бы к ней. А в том случае, если контрольный регион стабилен настолько, чтобы удовлетворять условиям наших исследований, его последовательность должна оказаться одинаковой или почти одинаковой у всех живущих на свете хомячков.

Я попросил Криса Томкинса, студента, который летом 1990 года как раз работал у нас в лаборатории над дипломным проектом по генетике, подобрать все возможные материалы по золотистому хомячку. Первое сделанное им открытие касалось названия — оказалось, что правильнее называть золотистого хомячка сирийским. После этого Крис отправился в Оксфордскую публичную библиотеку и вернулся оттуда с добрыми вестями: он обнаружил существование Национального совета Великобритании по сирийскому хомячку. Звонок секретарю, и на другой день мы уже ехали по полученному адресу в Илинг, что в западной части Лондона. Нас ждал радушный прием, секретарь Британского клуба по сирийским хомячкам Рой Робинсон (ныне, к сожалению, покойный) встретил нас весьма дружелюбно и приветливо.

Мистер Робинсон был человеком прошлой эпохи — самоучка, исследователь-любитель, но при этом великолепный и тонкий знаток в своей области. Его тускло освещенный кабинет оказался полон книг по генетике животных, многие из которых написал он сам. Он снял с полки книгу по сирийскому хомячку. Мистер Робинсон очень плохо видел, даже надев очки с толстенными стеклами, он различал текст, только поднеся книгу к самому лицу. Он подтвердил, что история, вычитанная мною в детстве, была правдой. По-видимому, в 1930 году члены зоологической экспедиции в горные районы вокруг Алеппо (сейчас Халаб) на северо-западе Сирии поймали четырех необычных грызунов, некрупных, золотисто-коричневых, трех самцов и одну самку. Зверьков взяли с собой, в Еврейский университет в Иерусалиме. Их держали в одной клетке, вскоре самка забеременела и принесла потомство, так что размножение в неволе оказалось делом совсем не сложным. Университет начал рассылать хомячков в медицинские исследовательские институты по всему миру, и вскоре они стали очень популярны как лабораторные животные в качестве альтернативы более обычным крысам и мышам,— и это несмотря на то, что хомячки были активны только по ночам. Они отличались скверным характером: так и норовили цапнуть за палец того, кто нарушал их покой (и правильно делали!). Первым начал работать с сирийскими хомячками Институт Совета по медицинским исследованиям в Милл-Хилле (на севере Лондона). Отсюда несколько зверьков было передано в Лондонский зоопарк. К 1938 году хомячки добрались до Соединенных Штатов.

Случается, что лабораторных животных, которые отработали свое и больше не нужны для исследования, сотрудники забирают домой, вместо того чтобы умертвить. Хомячки переходили из дома в дом, от владельца к владельцу, их популярность росла, со временем ими заинтересовались зоомагазины и торговцы животными. Хомячков внесли в каталоги, стали возникать объединения любителей. В 1947 году в одном из пометов родился хомячок с пегой окраской. Это была первая из многочисленных цветовых вариаций, возникающих в результате спонтанных мутаций генов, ответственных за окраску шкурки, а проявилась она из-за близкородственных скрещиваний между животными. Скрестить мутантов было совсем не трудно, так была выведена чистопородная линия. Началась настоящая лихорадка — каждый стремился обнаружить у хомячков все новые варианты окраски, так что в последующие годы было найдено немало таких мутантов и выведено огромное количество чистопородных линий — кремовые, шоколадные, шелковые, черепаховые и множество других. Хомячки оказались прекрасными домашними питомцами, а разнообразие в окраске только добавило к ним интерес. Произошел своего рода популяционный взрыв — в наши дни любители животных по всему миру держат, в общей сложности, более трех миллионов хомячков.

Мистер Робинсон жил в старом садоводческом питомнике, который, во время нашего приезда, пребывал в запустении. Вытянутый прямоугольный участок, огороженный стенами из прекрасного старинного кирпича, занимали клумбы с беспорядочно разросшимися цветами да несколько парничков с разбитыми стеклами и поломанными рамами. Мы увидели впереди два сарая порядочных размеров и направились к первому из них. Мистер Робинсон и пригласил нас внутрь, отперев дверь. Войдя, мы не поверили глазам. Перед нами громоздились ряды клеток, пронумерованных и снабженных этикетками, и повсюду были хомячки — по семейству в каждой клетке. Мистер Робинсон собрал в своей коллекции образчики каждой цветовой вариации, которая когда-либо появлялась на свет. И скрещивал их между собой, пытаясь разобраться в их генетике. Здесь были хомячки белоснежные, сиреневые, хомячки с короткой темной шерсткой и хомячки в великолепных шубах, как у ангорской козы. Мистер Робинсон был столь заметной и почитаемой фигурой в мире сирийских хомячков, так велик был его авторитет, что, как только где-то появлялась новая мутация меха, пару зверьков незамедлительно отправляли в Илинг. Мы смотрели на коллекцию мирового класса. В завершение ее владелец открыл старую жестяную банку из-под конфет, в которой аккуратной стопочкой лежали высушенные шкурки необычных животных, которые ему также присылали. Мартин Ричардс, который ездил со мной и Крисом, так воодушевился, что на обратном пути приобрел в зоомагазине в Илинге пару хомячков. Они прожили у него дома два года и мирно скончались. Для нашей истории, пожалуй, важнее то, что мы увезли с собой по нескольку волосков от каждой линии животных, представленных в коллекции мистера Робинсона.

Мистер Робинсон также поделился с нами адресами клубов любителей и заводчиков сирийских хомячков во всем мире, и Крис уже собирался обратиться к ним с просьбой прислать пробы волосков, но мы засомневались в успехе этого предприятия. Мы уже знали, что для извлечения ДНК требуется изрядное количество волос. У хомячков волоски очень тонкие, хрупкие и имеют тенденцию ломаться у основания. Конечно, зверьки не возражали против того, чтобы мы вырвали у них несколько волосинок, но удовольствия им это не доставляло, было ясно, что владельцы вряд ли станут с энтузиазмом рвать клочки из шубок своих любимцев, а нам придется подыскивать другой источник ДНК. Мы решили попробовать один вариант, который на первый взгляд показался абсолютно диким. Зная, что реакция амплификации ДНК невероятно чувствительна, это делало возможным работу с ДНК ископаемых костей. Что, если с экскрементами хомячка из организма выходят и клетки слизистой оболочки его кишечника, хотя бы несколько клеток? Уж наверняка даже самый фанатичный любитель животных не пожалеет ради успеха науки нескольких катышков помета. Но сработает ли это? Получить ответ на этот вопрос можно было лишь одним способом. И вот на следующий день Мартин явился на работу со свеженьким пометом от своих новых постояльцев. Он мало чем отличался от помета мышей — ссохшиеся отвердевшие катышки, вовсе не противные. Тем не менее Крис вооружился пинцетом, чтобы поместить их в пробирку. Он несколько минут кипятил пробу, разогнал в центрифуге, чтобы отделить осадок, а затем взял каплю очищенной жидкости для реакции амплификации ДНК. Результат оправдал его усилия.

В течение всего лета мы получали небольшие посылки от любителей хомячков со всех концов света. Характерное постукивание извещало нас об их содержимом. В конечном итоге нам удалось получить ДНК от тридцати пяти хомячков, а в скором времени Крис расшифровал последовательность митохондриального контрольного региона для каждой пробы. Они оказались абсолютно идентичными. Стало быть, история была правдивой. Все миллионы домашних хомячков, которых держат у себя люди во всех странах, действительно оказались потомками одной самки. Для нас, разумеется, более важным было то, что контрольный регион митохондриальной ДНК остался совершенно стабильным. От той первой хомячихи, пойманной в сирийской пустыне, до миллионов ее пра-пра-пра-... пра-пра-правнуков во всех уголках мира, у всех и каждого из них контрольный регион ДНК был скопирован абсолютно верно, без единой опечатки.

Это навело на удивительную мысль. По грубым подсчетам, за год хомяки могут произвести на свет четыре-пять поколений. При такой скорости размножения с 1930 года на свет появилось по крайней мере двести пятьдесят поколений. Даже если все наши тридцать пять животных и не представляли бы независимые материнские линии, не пересекавшиеся от самого 1930 года, все равно тот факт, что у них не имелось ни малейших различий в последовательности ДНК, неизбежно означал, что я зря беспокоился насчет слишком быстрого нарастания мутаций в контрольном регионе. Напротив, этот участок ДНК поистине зарекомендовал себя как чрезвычайно надежный, не поддающийся внезапным вспышкам мутаций, которые могли бы сделать невозможным то, на что мы замахнулись — попытку пройти по следу сотен поколений и разобраться в секретах нашего прошлого. Конечно, оставалось еще опасение, что, хотя у хомячков контрольный регион стабилен, у человека все может быть по-другому. Но зная, насколько фундаментальны по своей природе митохондрии, я не думал, что такой поворот очень уж вероятен, и решился рискнуть.

Я был не одинок в своей заинтересованности. Скоро стало ясно, что многие ученые вели поиски в том же направлении и осознавали возможности небольшого участка ДНК, которому было под силу не только пролить свет на величественный замысел эволюции человека, но и раскрыть не столь древние тайны.