Плодовые мушки и происхождение позвоночника

Каждое лето миска с фруктами на кухне моего дома становится родным домом для небольшого семейства крошечных мушек. Думаю, что их яйца попадают ко мне с купленными в магазине бананами, а когда из яиц вылупляются мушки, они сами начинают размножаться. Правда, это их размножение никогда по-настоящему меня не беспокоило: мушек слишком мало для того, чтобы называть их присутствие «нашествием» (интересно, каким термином можно обозначить появление столь незначительного числа мушек – «легкой провокацией» или «налетом»), и к тому же мне нравятся эти миниатюрные насекомые.

За время изучения биологии в университете эти мушки стали для нас чем-то вроде домашних питомцев. На практических занятиях по генетике мы работали именно с ними, скрещивая разные породы: мушек с длинными крыльями и мушек с короткими крыльями, мушек с белыми глазами и мушек с красными глазами. У некоторых дрозофил тело коричневое, а у других – желтое. Это идеальные создания для изучения связи между генами и внешними признаками, или, говоря по-научному, – между генотипом и фенотипом.

Плодовые мушки дрозофилы известны своим огромным вкладом в генетику. Все началось на заре ХХ века в лаборатории Колумбийского университета. В 1909 году специалист по эволюционной биологии Томас Хант Морган, которому до смерти надоело заниматься выяснением механизмов регенерации червей и эмбрионального развития лягушек, обратился к изучению наследственности, используя в качестве модели скромных, незаметных дрозофил. Морган получал мух-мутантов, и некоторые мутации передавались по наследству, проявляя менделевское расщепление – классическое соотношение доминантных и рецессивных фенотипов 3:1. За несколько десятилетий до того, как были расшифрованы молекулы, кодирующие гены, Морган своими работами доказал, что ведущую роль в передаче наследственной информации играют хромосомы и что гены располагаются вдоль хромосом в линейной последовательности. За свои пионерские работы Морган в 1933 году был удостоен Нобелевской премии, а дрозофилы с тех пор надолго застолбили свое привилегированное место в генетических лабораториях.

В 1970-х годах генетики научились секвенировать гены, используя для этого хроматографию. После этого были разработаны методы флуоресцентного мечения строительных блоков ДНК и процесс определения последовательности этих строительных блоков в ДНК был автоматизирован. Я однажды снялась в фильме, посвященном работе лаборатории, занимающейся секвенированием ДНК, и телевизионщики были очень недовольны процессом работы, который оказался невероятно скучным: лаборатории битком набиты белыми ящиками, стоящими на полках, и процесс определения последовательности блоков ДНК протекает именно в них, оставаясь невидимым для посторонних глаз, и проходит без участия человека, в автоматическом режиме.

Когда последовательность генов дрозофилы была полностью выяснена, плодовая мушка неожиданно выдала поразительную генетическую тайну. Дело в том, что одна группа мух-мутантов всегда особенно интересовала генетиков. У этих мутантов наблюдали смещение частей тела: иногда брюшные сегменты оказывались в области головогруди, или у мутантов было два набора крыльев вместо одного, или ноги росли из головы вместо привычных антенн. В конце XIX века английский эмбриолог Уильям Бейтсон ввел термин для обозначения трансформации одной части тела в другую: гомеозис. Генетики занялись мутациями ДНК, вследствие которых появлялись столь необычные особи, и обнаружили «гомеозисные гены», которые управляют образованием и дифференцировкой определенных сегментов и в эмбрионах нормальных особей. В экспериментах, по ходу которых у мутантов удаляли все гомеозисные гены, в результате получались странные личинки с совершенно одинаковыми сегментами. Особенно интересно было выяснить положение этих генов в ДНК дрозофилы. Большинство генов разбросаны по геному совершенно случайным образом, и даже те гены, которые работают в тесном согласии друг с другом, могут располагаться даже в разных хромосомах. Но гомеозисные гены всегда расположены на одной хромосоме, причем в той же последовательности, как и кодируемые ими фенотипические признаки, – они проявляются в определенной последовательности по длине тела от головы до хвоста.

Гомеозисные гены преподнесли генетикам еще один сюрприз: когда гены были секвенированы, то оказалось, что каждый из них содержал одну идентичную короткую последовательность ДНК, включавшую около 180 пар оснований. Эту последовательность назвали «гомеобоксом», или сокращенно Hox-генами. Эти гены являются «контролирующими», они направляют деятельность других генов. Гомеобокс играет решающую роль в этом контроле – он кодирует белок, способный связываться с молекулой ДНК.

Однако подлинный сюрприз заключался в том, что гены Hox не только контролируют проявления фенотипических признаков у мух-дрозофил. Эти гены присутствуют в геномах всех насекомых и даже всех членистоногих. Есть эти гены и у червей. Более того, эти гены присутствуют у всех животных с сегментированным строением тела, включая и позвоночных. Это говорит о невероятной древности Hox-генов: наш последний общий с дрозофилами предок с этими генами жил около 800 миллионов лет назад. И хотя плодовые мушки дрозофилы – наши очень отдаленные родственники, все же основной план строения нашего тела также определяется Hox-генами на эмбриональной стадии развития.

Сходные Hox-гены контролируют строение сегментов тела у плодовых мушек и у человеческого эмбриона

У дрозофил и у других насекомых только один набор Hox-генов; их восемь, и они располагаются в один ряд, следуя друг за другом. Наш старый знакомец ланцетник обладает кластером из четырнадцати Hox-генов; однако дупликация (удвоение) отрезков генома у различных групп позвоночных привела к образованию нескольких таких кластеров. У млекопитающих таких кластеров четыре, и располагаются они в разных хромосомах.

Древность Hox-генов была подтверждена в 1986 году, когда группе ученых удалось расшифровать первый большой кластер этих генов у позвоночных. Было обнаружено, что порядок расположения генов зеркально отражает последовательность сегментов тела позвоночного животного – точно так же, как у плодовых мушек. Один из исследователей показал схожесть Hox-генов у позвоночных и беспозвоночных, чем подтвердил, что Hox-гены были унаследованы животными обоих типов от очень древнего общего предка. В 1990-х он доказал, что похожие гены отвечают за морфологическое строение конечностей. Этим ученым был швейцарский специалист по биологии развития Дени Дюбуль, и в январе 2013-го я побывала у него в гостях, в его доме в Женеве.

Мы встретились в его кабинете, расположенном в углу скромной бетонной башни – одного из корпусов Женевского университета. Из окна открывался вид на центр Женевы, обрамленной заснеженными горами. Ландшафт из низких строений (высота зданий в Женеве ограничена законом) оживлялся высокой, облицованной стеклом телевизионной башней.

Большой стол был уставлен разнообразными научными диковинками, включая скелет опоссума (он очень похож на скелет мартышки, если не считать, что у сумчатого животного не замкнуто костное кольцо глазницы, а в области таза есть дополнительная кость); скелет змеи, уложенный в стеклянный эксикатор; несколько сосудов со скелетами мышиных эмбрионов – ализарином были в красный цвет окрашены кости, а метиленовой синью – хрящи; на подставке красовался скелет лягушки, а в высоких цилиндрах я увидела заспиртованных животных – рыб и ящериц.

К стене была подвешена весьма оригинальная скульптура, элементы которой я тотчас узнала. Думаю, что каждый биолог в мире хотя бы раз в жизни получал в качестве непрошеного подарка экземпляр печально известного «Атласа творения» Харуна Яхья [11]. Свой экземпляр я получила, работая в Бристольском университете. Это объемистый том, украшенный великолепными, просто роскошными иллюстрациями, в котором четко и последовательно проводится мысль о ложности теории эволюции. Одно из доказательств звучит так: если в наше время на Земле живут существа, похожие на ископаемых животных, то это значит, что Дарвин ошибался. В книге преднамеренно искажается теория эволюции посредством естественного отбора, но тем не менее она производит неизгладимое впечатление качеством печати и богатым переплетом, и поневоле приходишь в ужас при мысли о гигантских суммах, потраченных на печать и распространение этого опуса. Мой экземпляр долго лежал у меня на столе. Я использовала его как пресс для бумаг некоторое время, потом стала заменять им скамеечку для ног, и в конечном счете отправила в специальный контейнер для макулатуры.

Дени намного лучше распорядился своими экземплярами печально известного атласа. Остатки нескольких книг висели на стене. Каждый том был аккуратно порезан на треугольники и трапеции, страницы в которых были скреплены винтами, чтобы их было невозможно открыть (Дени объяснил мне, что именно так французы обходятся с плохими книгами). Конструкции на проволоке были подвешены к кронштейнам. Такое решение оказалось, конечно, куда более изобретательным, чем мое. Это был чисто эволюционный подход к утилизации ненужных вещей – превратить носитель устаревших идей в предмет искусства.

Дени несколько десятилетий изучал Hox-гены, определяющие строение, или, как говорит сам Дени, – архитекторы тела. Он описал мне, как они работают. Дело обстоит так, что строение соответствующего сегмента определяет не один ген из кластера, а их совокупность. Гены действуют не по отдельности, а совместно, и для построения каждого следующего сегмента к действующим генам присоединяется еще один. Так Hox-гены работают у дрозофилы, и так же работают они в человеческом эмбрионе. Самым наглядным результатом такой согласованной работы Hox-генов у взрослого человека является позвоночник. Эти гены определяют различия в строении отделов позвоночника – шейного, грудного, поясничного и крестцового, а также различия между соседними позвонками в одном и том же отделе.

В углу кабинета, на полу, стоял стеклянный сосуд. Дени снял с него крышку и извлек заспиртованную самку питона. Это была очень красивая особь – длинная, изящная и тонкая – размером около 70 см. У самки питона оказалось больше позвонков, чем у человека, но я была весьма удивлена тем, что у нее столько же генов Hox, сколько и у меня, а именно 39.

– Поразительно, что у нее столько же генов, сколько и у меня, – сказала я. – Но почему у змеи больше позвонков? Как так получается?

– Сигнал сформировать конец тела, – начал объяснять Дени, – а этот конец у змеи расположен у клоаки (терминального отдела кишки), поступает не сразу, а с некоторым запаздыванием, и при развитии тела змея строит один сегмент за другим – их образуется около 250 – до того момента, когда гены Hox наконец говорят «хватит». После этого остается только сформировать хвост.

Есть и еще одна существенная разница в базовом строении тела между человеком и змеей. Подобно другим четвероногим (амфибиям, рептилиям, птицам и млекопитающим), у меня имеются конечности.

– Те же гены, что контролируют сегментацию тела, кодируют и сегментацию конечностей, – сказал Дени. – И для завершения роста пальцев служит тот же сигнал, что завершает удлинение тела.

Мы поговорили о сложности подобной программы развития; о том, что один ген может направлять развитие разных отделов эмбриона, и это исключает свободную модификацию развития. Морфологические ограничения связывали воедино разные сегменты и придавали смысл всей структуре организма в целом. Однако помимо морфологических ограничений, имеют место и ограничения на генетическом уровне, так как один ген выполняет далеко не одну какую-либо функцию в каком-то одном месте в определенное время.

Это стало одним из самых поразительных открытий в ходе расшифровки человеческого генома. Все были удивлены тем, что на самом деле у нас не так уж много генов. «У нас их не больше, чем у дрозофилы, – рассказывал Дени. – Педиатры были, например, потрясены тем, что развитие разных частей организма может контролироваться одними и теми же генами. Так что, если нарушение касается, скажем, пальцев рук или ног, то надо исследовать и гениталии, потому что нарушение может проявиться и там».

Мне тогда подумалось, что, хотя, возможно, клиницисты и испытали потрясение, все же они должны были подозревать, что отдельные гены влияют на развитие большого числа частей организма. В конце концов, уже много веков известно, что наследственные синдромы включают в себя нарушения во многих областях тела. Теперь благодаря генетике появилась возможность прослеживать действия специфических генов, которые могут вызывать набор нарушений в разных, подчас удаленных друг от друга частях тела.

Мы также внимательно рассмотрели крошечные мышиные эмбрионы во флаконах. Мягкие ткани были сделаны прозрачными, а скелет окрашен в красный и синий цвета, чтобы было легче отслеживать действие индивидуальных генов, направляющих развитие эмбрионов.

– Экспериментальная работа очень кропотливая, – признался Дени. – Требуется два года на то, чтобы в организме произошли желательные для нас генетические изменения, и только после этого в эмбрионе мыши становятся заметными эффекты генных изменений. Не многие исследователи готовы ждать результатов так долго.

Однако кропотливый труд окупился: дефекты полученных в ходе генетических экспериментов эмбрионов показали роль нормальных генов в эмбриональном развитии. Консервативность всей системы Hox-генов позволяет предполагать, что развитие людей немногим отличается от развития мышей. Такие биологи, как Дени, подошли очень близко к пониманию программы, создающей структуру организма позвоночных, но одновременно приблизились и к пониманию того, как эти программы могут давать сбой.

Томас Хант Морган начал свою научную карьеру с изучения развития и регенерации, пытаясь разобраться в том, как именно происходит членение тела на структуры у эмбрионов и в регенерирующих конечностях, но затем переключил свое внимание на наследственность. Он сам был очень доволен тем, что выбранный им модельный организм – мушка-дрозофила – оказал такое могучее влияние на генетику. Мало того, скромная плодовая мушка помогла приблизиться к решению загадки, мучившей самого Моргана, – к раскрытию связей между генетикой и эмбриологией.