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

Постер привлек к себе внимание не биологов, специализирующихся на конечностях, а известного генетика из Эдинбурга Роберта Хилла, случайно проходившего мимо и заметившего фотографии мутанта Sasquatch. С этого момента началась новая исследовательская программа.

Лаборатория Хилла получила известность в связи с изучением генов, участвующих в развитии глаз. В процессе этой работы группа специалистов, среди которых была молодая исследовательница Лора Леттис, создала метод анализа генома для выявления в нем фрагментов ДНК. Поскольку последовательность встроенного в мутантную мышь фрагмента ДНК была известна, нужно было просканировать весь геном и найти, куда он встроился. Леттис только начинала работать и была еще довольно неопытной, но она обладала терпением и необходимым набором навыков.

Для локализации мутации в последовательности ДНК ученые использовали простой трюк. Они присоединяли молекулу красителя к короткой последовательности ДНК, комплементарной вызвавшему мутацию фрагменту. Смысл в том, что эта последовательность находит мутацию, связывается с нужным фрагментом, и voila — краситель показывает, где он находится. Поскольку мутация повлияла на активность гена Sonic hedgehog, скорее всего, она могла находиться в одном из двух мест – либо в самом гене, либо в непосредственно прилегающей к нему контрольной области, такой же, как Жакоб и Моно открыли в клетках бактерий.

Выяснилось, что ген Sonic hedgehog затронут не был. В этой области краситель не давал сигнала. В чем бы ни заключалась причина изменения активности Sonic hedgehog в конечности и полидактилии, это не была мутация самого гена или соответствующего белка. Подобно Жакобу и Моно, исследователи предположили, что был задет один из прилежащих к гену контрольных регионов. Они провели анализ и убедились, что и в этой зоне все совершенно нормально. Но если ни ген, ни прилежащие переключатели не были повреждены, что же в таком случае вызывало мутацию?

Некоторые генетические переключатели расположены очень далеко от генов, которые они контролируют. ДНК всегда образует петли и складки и изгибается, чтобы закрыться и открыться и привести переключатели в непосредственный контакт с их генами, чтобы с них мог считываться белок

Любой человек, пытавшийся разыскать улетевшую в ветреный день самодельную ракету, знает, что можно потратить уйму времени на поиски в непосредственной близости от старта, тогда как искать нужно вдалеке. Хилл, Леттис и другие исследователи начали прочесывать весь геном, пока наконец не обнаружили сигнал. Фрагмент встроился почти в миллионе оснований от последовательности гена Sonic hedgehog. Иными словами, между местом мутации и геном Sonic было гигантское расстояние. Подозревая, что это ошибка, исследователи повторили эксперимент и вновь проанализировали результаты. Но что бы они ни делали, результаты оставались такими же. Маленький участок ДНК на расстоянии миллиона оснований от гена каким-то образом контролировал его активность. Представьте себе, что выключатель от лампы в комнате в Филадельфии находится на стене гаража в пригороде Бостона.

Может ли быть, что изменения в этом отдаленном участке стали причиной появления дополнительных пальцев? Исследователи нашли столько людей и кошек с шестью пальцами, сколько смогли (пациентов с полидактилией из Голландии, мальчика из Японии и даже кошек Хемингуэя), и проанализировали их ДНК. И в каждом случае они обнаружили небольшую мутацию в этом самом участке, отстоящем на миллион оснований от гена Sonic hedgehog. Каким-то образом небольшая мутация в другой части генома вызывала изменение активности Sonic, активизируя его действие во всей конечности, что приводило к появлению дополнительных пальцев рук и ног.

Определив последовательность букв А, Т, С и G в этом участке, ученые обнаружили, что она весьма специфическая. Длина участка составляет около полутора тысяч оснований, и его последовательности сопоставимы у разных организмов. У людей и у мышей он располагается в одном и том же месте – примерно в миллионе оснований от гена. То же самое наблюдается у лягушек, ящериц и птиц. Эта последовательность есть у всех существ с конечностями и даже у рыб. Она есть у лосося, есть у акулы. Все существа, у которых ген Sonic hedgehog задействован в развитии конечностей, будь то ноги или плавники, имеют такой контрольный участок на расстоянии почти миллиона оснований от гена. Через этот странный пример организации генома природа сообщала исследователям нечто важное.

На первый взгляд удивительно, что кошки и люди с полидактилией вообще родятся живыми. В процессе эмбрионального развития ген Sonic hedgehog контролирует не только рост конечностей. Этот важный регуляторный ген контролирует развитие сердца, спинного и головного мозга, а также половых органов. Его можно сравнить с универсальным инструментом, который используется для формирования многих органов и тканей. Поэтому мутация Sonic hedgehog должна была бы затрагивать все структуры, в которых он проявляет активность: у мутантов, среди прочего, наблюдались бы повреждения спинного мозга, сердца, конечностей, лица и половых органов. Так какое же существо может родиться в случае мутации этого гена? Поскольку мутация Sonic hedgehog приводит к деформации множества тканей, ответ на этот вопрос кажется очевидным: мертвое.

Однако механизм контроля активности Sonic hedgehog в процессе развития позволяет избежать такого исхода. Каким образом? Мутации в участке ДНК, ответственном за регуляцию развития конечностей, затрагивают только конечности. Вот почему люди с полидактилией, вызванной этой мутацией Sonic hedgehog, имеют нормальное сердце, спинной мозг и другие структуры: переключатель, контролирующий активность гена, специфичен для каждой конкретной ткани, и другие ткани не затрагиваются.

Представьте себе дом с множеством комнат, в каждой из которых есть своя независимая батарея. Изменение температуры котла в бойлерной повлияет на температуру во всех комнатах, но поворот ручки термостата в одной комнате повлияет только на температуру в этом конкретном помещении. Такая же ситуация наблюдается в отношении генов и их регуляторных последовательностей. Как изменение температуры котла повлияет на температуру во всем доме, так изменение гена и кодируемого им белка может повлиять на все тело. Общее изменение привело бы к катастрофе и тупиковым ветвям эволюции. Но в каждой ткани есть собственная регуляторная последовательность, и поэтому, как переключение терморегулятора в отдельной комнате, изменения в одном органе не вызывают изменений в других. Такие мутанты жизнеспособны, и эволюция может продолжаться.

В эволюционных превращениях могут играть роль два типа изменений генома. Во-первых, при изменении генов могут возникать новые белки. Из-за мутации в последовательности оснований А, Т, G и С может меняться аминокислотная последовательность белка. Если мутация ДНК приводит к замене аминокислоты, может получиться новый белок. Это происходило со многими важными генами и белками организма, такими как гены гемоглобина, которые изучали Цукеркандль и Полинг. Важно понять, что подобное изменение способно затронуть все отделы организма, в которых синтезируется данный белок.