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

Мне это напоминает диету, называемую “чисткой организма”, которая периодически входит в моду. Люди несколько дней голодают, а потом постепенно и последовательно вводят в свой рацион отдельные группы продуктов в разных сочетаниях. Полностью отказавшись от еды, а потом на протяжении нескольких дней добавляя, например, только молочные продукты и яйца, можно понять, как яйца, молоко или сыр влияют на энергетическое состояние и настроение. Если после воздержания от еды добавлять продукты в разных сочетаниях, можно наблюдать влияние, например, молочных продуктов и темно-зеленых листовых овощей. Льюис сделал то же самое с большим участком хромосомы мутанта Bithorax: сначала он полностью извлек его и получил взрослое животное, чтобы посмотреть на произведенный эффект, а затем встраивал обратно небольшие кусочки по отдельности и в разных сочетаниях в другие эмбрионы, отмечая их роль в формировании тел мух при развитии взрослых особей.

Придуманный Льюисом генетический вариант “копипейста” позволил понять, что Bithorax возникает в результате действия не одного гена, а группы из многих генов. Гены на хромосоме сидят рядком, как жемчужины в ожерелье. Льюис подумал, что в эмбрионе эти гены должны работать сообща, но при этом каждый выполняет собственную функцию. Однако самое удивительное заключалось в другом.

Тело мухи от передней до задней части состоит из сегментов: голова, грудь и брюшко. На каждом сегменте есть специфические отростки: антенны и ротовые придатки на голове, крылья на груди и ноги и церки на брюшке[13]. Льюис обнаружил, что все гены в хромосомном участке Bithorax контролируют развитие разных сегментов тела мухи. Один ген размещает антенны на голове, другой – крылья на груди, а третий – ноги на брюшке. Эти гены отвечают за общую архитектуру тела. Организация тела от передней до задней части запрограммирована на генетическом уровне. К всеобщему удивлению, оказалось, что структура тела, как в зеркале, отражается в положении генов на хромосоме: гены, активные в области головы, находятся на одном конце последовательности, активные в области брюшка – на другом конце, а те, которые участвуют в формировании грудного сегмента, располагаются в середине. Организация тела отражается в активности и структуре генов.

Хотя открытия Льюиса были необычайно интересными, многие биологи полагали, что они касаются только мух. Понятное дело, сегменты тела мух отличаются от частей тела других животных, таких как рыбы, мыши или люди. У мух нет позвоночника, спинного мозга и других структур, имеющихся в телах вроде нашего. А рыбы, мыши и люди не имеют антенн, крыльев и щетинок.

Еще более значительное отличие заключается в процессе развития мух. Большинство животных в процессе развития состоят из миллионов разных клеток, каждая из которых имеет собственное ядро. Эмбрион мухи выглядит как единственная клетка с множеством ядер, похожая на гигантский мешок с генетическим материалом. Если вы собираетесь изучать общие закономерности развития и эволюции животных, трудно вообразить менее подходящее существо, чем муха.

В 1978 году, когда вышла статья Льюиса о Bithorax, биология переживала технологическую революцию. Во времена Моргана гены были черным ящиком: Морган и его сотрудники могли сопоставлять влияние генов на формирование тела и их положение на хромосоме, но фактически ничего не было известно о том, как действуют гены, не говоря уже о том, что они представляют собой фрагменты ДНК.

В 1980-х годах, всего через несколько лет после публикации статьи Льюиса, биологи уже научились секвенировать гены и видели, в каком участке тела эти гены активно участвуют в синтезе белка. Майк Ливайн и Билл Макгиннис из лаборатории покойного Вальтера Геринга (1939-2014) в Швейцарии получили возможность работать с мутантными дрозофилами, у которых ноги выходили прямо из головы, из того места, откуда обычно растут антенны. Голова насекомого была развита нормально, если не учитывать растущие из нее ноги. Почти так же, как у дрозофил Бриджеса с дополнительными крыльями или у мутантов Бейтсона с переставленными с места на место органами, у этого мутанта произошло смещение частей тела и имелся специфический дефект головного сегмента.

Используя ДНК-технологию, которую Бриджес не мог бы даже вообразить, Ливайн и Макгиннис сумели выделить ответственный за эту мутацию ген. Затем они синтезировали специфический фрагмент ДНК, чтобы проверить, где этот ген проявляет активность в процессе развития. Вспомните, что там, где гены активны, на их основании синтезируется белок. Для синтеза белка нужна еще промежуточная молекула – РНК. Чтобы найти место, где гены “включены”, нужно посмотреть, где образуется РНК. Поэтому исследователи прикрепили краситель к молекуле, которая находит РНК в теле мухи. Если эту конструкцию ввести в развивающийся эмбрион, краситель будет накапливаться в местах активности генов, и его можно обнаружить в теле эмбриона с помощью микроскопа.

Нормальная дрозофила слева и мутантная форма справа.

Этого мутанта назвали Antennapedia, поскольку в том месте, где должна быть антенна, у него была нога

Этот ген мутанта Antennapedia с растущей из головы ногой в норме был активирован в очень специфическом месте – в голове. Более того, он контролировал формирование растущих из головы органов, будь то антенна или, как в случае мутанта, нога. Возможно, вам это что-то напоминает, поскольку то же самое наблюдал Эдвард Льюис, когда изучал хромосомы мутанта Bithorax несколькими годами ранее. Вспомните, что он обнаружил на хромосоме серию расположенных друг за другом генов, специфичных для разных сегментов тела и контролирующих развитие определенных органов. Возможно, этот ген головы был предвестником новых открытий, одним из группы генов, контролирующих развитие всех сегментов тела дрозофилы.

Полученные результаты отсылали Ливайна к статье Льюиса, вышедшей в 1978 году. Он надолго углубился в нее, читая и перечитывая по пятьдесят раз, но, по его словам, по-прежнему “не понимал ее до конца”.

Эта статья заставила Ливайна и Макгинниса проверить одно из главных предположений Льюиса – о том, что похожие гены должны располагаться на хромосоме рядом друг с другом. Выделив один ген, они начали проверять, нет ли в непосредственной близости от него каких-нибудь других похожих генов. Метод анализа был довольно грубым: они превращали тела дрозофил в пасту, выделяли оттуда ДНК, помещали смесь ДНК на гель и добавляли свой ген с красителем. Идея заключалась в том, что их ген будет действовать подобно липучке для ловли мух и связываться со всеми генами со сходной последовательностью. А краситель поможет найти и выделить эти гены.

Результат был однозначным: в геноме оказалось много похожих генов. Определяя последовательность каждого из них, Ливайн и Макгиннис установили, что все связавшиеся с красителем гены имеют небольшой почти идентичный участок ДНК. По удивительному совпадению то же самое открытие независимым образом сделал Мэтт Скотт из Университета Индианы.