Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - Нил Шубин

Когда-то моряки думали, что кошки с шестью пальцами приносят кораблю удачу. Считалось, что кошки с широкими лапами лучше ловят мышей, поскольку лучше держат равновесие в море. Капитан Стэнли Декстер разводил таких кошек и подарил одного котенка своему другу Эрнесту Хемингуэю, который в то время жил в Ки-Уэсте. Этот котенок Снежок стал родоначальником целой линии шестипалых котов, до сих пор живущих в доме Хемингуэя. Но эти кошки не только привлекают туристов; они сыграли роль в формировании новой концепции функционирования генома.

У людей тоже иногда бывают лишние пальцы. В среднем один человек из тысячи родится с дополнительным пальцем на руке или на ноге. В 2010 году в Индии родился мальчик с 34 пальцами. Лишние пальцы могут появляться со стороны большого пальца, со стороны мизинца или в результате расщепления промежуточных пальцев в форме вилки. Дополнительные пальцы со стороны большого пальца (так называемая преаксиальная полидактилия) особенно значимы в биологическом плане.

Кошки с полидактилией (“кошки Хемингуэя”) имеют широкие лапы с шестью или большим числом пальцев

В 1960-х годах ученые, работавшие с куриными эмбрионами, пытались понять, как в процессе эмбрионального развития образуются ноги и крылья. Конечности зарождаются на теле эмбриона в виде крохотных выростов, напоминающих тоненькие трубочки. За несколько дней (точное время разнится у разных видов) они увеличиваются, в них начинают формироваться кости, и удлиняющийся конец начинает походить на широкое весло. На этой расширенной поверхности постепенно формируются лодыжки, кисти и пальцы.

Ученые обнаружили, что путем удаления или перемещения клеток в области “весла” можно изменять число формирующихся пальцев. Если удалить крохотный кусочек ткани с растущего конца, развитие конечности останавливается. Когда это делали на ранних этапах развития, на конечности у эмбриона было меньше пальцев или их не было совсем. Когда это делали чуть позже, у эмбриона могло не хватать всего одного пальца. Все зависит от того, на какой стадии развития проводить эксперимент: удаление ткани на ранней стадии оказывает более заметное влияние на развитие эмбриона, чем вмешательство на поздней стадии.

Джон Сондерс и Мэри Гэсслинг из Университета Висконсина по неизвестным теперь уже причинам удалили крохотный участок ткани от основания растущего зачатка конечности. Этот фрагмент ткани не имел никаких опознавательных признаков, ничего выдающегося. Он расположен в той части “весла”, из которой в конечном итоге развиваются мизинцы. Исследователи извлекли кусочек ткани длиной менее миллиметра и пересадили его на противоположную сторону в основании “весла”, туда, где развивается большой палец. Запаяв эмбрион в скорлупе, они ждали окончания его развития.

Появившийся цыпленок выглядел неожиданно. Он был таким же, как все цыплята, – с клювом, перьями и крыльями. Но его крылья, в отличие от нормальных крыльев с тремя удлиненными пальцами, имели по шесть пальцев. Что-то внутри этого крохотного комочка клеток содержало инструкции для развития пальцев.

Вскоре аналогичные эксперименты начались и в других лабораториях. В 1970-х годах британские исследователи поместили крохотные кусочки фольги между этим участком ткани и остальной частью зачатка конечности. В результате на крыльях получилось меньше пальцев, чем обычно. Фольга служила барьером между фрагментом ткани и другими клетками. Напрашивался вывод, что какое-то вещество, выделяющееся из этой группы клеток, проходит через растущую конечность и активизирует рост пальцев. Когда фольга предотвращает диффузию, образуется меньше пальцев, а когда барьер устанавливают в другой части конечности, образуется больше пальцев. Но какое вещество выделяют клетки?

В начале 1990-х годов три лаборатории независимо друг от друга использовали новые методы для выделения этого белка и соответствующего гена. В процессе эмбрионального развития на основании гена синтезируется белок, который проходит через “весельную” часть зачатка конечности. Как обнаружили ученые, по мере продвижения он сообщает группам клеток, какие пальцы они должны формировать. Там, где концентрация белка высокая, образуется пятый палец – мизинец. Там, где она низкая, образуется первый (большой) палец. Там, где концентрация белка промежуточная, образуются промежуточные пальцы. В одной из исследовательских групп этот ген назвали Sonic hedgehog, намекая на уже известный ген hedgehog из других видов животных и популярную видеоигру про ежика Соника.

Но что заставляет ген производить больше или меньше пальцев? Может быть, у гена Sonic hedgehog есть переключатели, которые влияют на развитие пальцев? Ответ на этот вопрос дал бы ключ к пониманию того, как на основании генов формируется тело и как оно эволюционирует.

Как многие важные моменты в жизни и в науке, эта история началась со случайности.

В конце 1990-х годов группа генетиков из Лондона встраивала фрагменты ДНК в геном мыши, чтобы изучать формирование головного мозга. Эти фрагменты были частью маленького молекулярного аппарата, который исследователи сконструировали для того, чтобы он прикреплялся к ДНК и служил маркером ее активности. В подобных экспериментах часто что-то идет не так, как задумано. Фрагмент может угодить в любой участок генома. Если он оказывается в биологически важной части генома, может появиться мутант. Именно это и произошло в эксперименте: у некоторых мышей с встроенными фрагментами ДНК был нормальный мозг, но деформированные пальцы передних и задних лап. Одна из мышей имела дополнительные пальцы и очень широкие лапы, напоминавшие лапы кошек Хемингуэя. Исследователям удалось вывести линию таких мутантных мышей и, как принято, им было дано имя. Их назвали Sasquatch, “снежный человек”, в честь большеногого существа из паранормального мира.

Поскольку эти мутанты были бесполезны для изучения головного мозга, исследователи подумали, что они могут пригодиться биологам, изучающим развитие конечностей. И на какой-то научной конференции вывесили постер со своими результатами. Постерные сессии на научных конференциях часто считают чем-то второстепенным, поскольку лучшие результаты представляют в виде докладов. Но в постерных сессиях играет роль социальный аспект, поскольку люди ходят, смотрят и обсуждают науку. Мой личный опыт показывает, что больше научных контактов завязывается после постерных сессий, чем после докладов.

Постер описывал тип полидактилии, который, как известно, возникает в результате мутации Sonic hedgehog', дополнительные пальцы со стороны мизинца. Такие мутации происходят по той причине, что Sonic hedgehog включается на неправильной стороне конечности. Так что на следующем этапе, совершенно очевидно, надлежало проследить за активностью гена Sonic у мутантов, но такой эксперимент на постере отражен не был. Получив мутантов случайным образом, исследователи проанализировали крохотные развивающиеся конечности под микроскопом. Как можно предположить при таком типе полидактилии, активность Sonic hedgehog в мутантах оказалась значительно усилена. На основании этих наблюдений была выдвинута гипотеза, что мутант Sasquatch получился в результате встраивания фрагмента ДНК внутрь гена Sonic hedgehog или в непосредственной близости от него.