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

Вскоре после извлечения Parhyale из чикагского аквариума Патель перебрался в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы начать программу исследований, посвященных изучению этих существ. Беркли, Патель и Parhyale оказались удачным сочетанием, поскольку в Беркли работала Дженнифер Даудна – одна из тех, кто открыл новый способ редактирования генома, названный CRISPR-Cas[14]. С помощью этой технологии исследователи могут прицельно воздействовать на конкретные участки генома, используя два типа инструментов – молекулярный “скальпель” для разрезания ДНК и зонд, доставляющий “скальпель” в нужное место. В 2013 году Даудна и ее коллеги из разных стран мира показали, что метод позволяет с высокой точностью разрезать и редактировать ДНК организмов разных видов. “Скальпель” CRISPR можно использовать для извлечения генов из генома. Изучая развитие эмбрионов, ученые могут видеть, какой эффект производит удаление конкретных генов. Еще более сложные эксперименты позволяют осуществлять замену или исправление последовательности генов.

Мощь этой технологии стала источником новой идеи Пателя: а что, если отредактировать гены Parhyale таким образом, чтобы они активировались в других сегментах тела? Удастся ли таким путем переместить конечности и другие части тела?

У Parbyale конечности расположены вдоль всего тела, и каждый сегмент содержит специфические конечности. На голове располагаются антенны, а затем следуют сегменты с элементами ротового аппарата. (Мы называем челюсти и мандибулы беспозвоночных придатками или конечностями, поскольку, как конечности, они отходят в стороны от сегментов тела.) Грудной сегмент снабжен более крупными конечностями: одни повернуты вперед, другие назад. От брюшного сегмента отходят мелкие конечности: более густые и длинные в передней части и более короткие в задней.

В процессе развития оси тела Parhyale активируются шесть генов Льюиса. Как и у мухи, сегменты тела можно различить по типу развивающихся в них конечностей, а также по активности разных генов в процессе развития. А что, если изменить характер активности генов в сегментах – скажем, активировать в грудном сегменте гены, которые в норме активны в брюшном сегменте? Изменится ли тип конечностей, отходящих от этого сегмента? Патель принялся по одному отключать гены, используя технологию редактирования, разработанную его коллегами в Беркли.

Изящество этих экспериментов проявляется в деталях. Три гена из списка Льюиса, названные Ubx, abd-A и Abd-B, в процессе эмбрионального развития активны в задней части туловища Parbyale. Их активность затрагивает четыре отдела тела: в ближайшем к голове включен только Ubx, в следующем функционируют Ubx и abd-A, в третьем активны abd-A  и Abd-B, а в последнем активен только Abd-B. Как будто каждый из этих четырех участков тела имеет генетический адрес, определяющийся тем, какие именно гены в нем активны. И выясняется, что картина активности генов соответствует типу образующихся конечностей. Там, где активен только Ubx, формируются конечности, обращенные назад, сочетание активности Ubx/abd-A приводит к формированию конечностей, обращенных вперед, активность abd-A/Abd-B отвечает за образование более длинных мелких отростков, а активность Abd-B — за образование более коротких отростков.

На верхнем рисунке отражена обычная картина активности генов (заштрихованные области). Удаление генов с целью изменения картины активности в сегментах тела (нижний рисунок) изменяет тип конечностей, развивающихся в соответствующем сегменте

План Пателя заключался в том, чтобы убрать гены и изменить “адрес” разных сегментов тела. Что произойдет, если изменить картину активности генов в каждом сегменте?

Когда Патель удалил ген abd-A, те части тела, которые раньше имели “адрес” Ubx/abd-A, теперь сохранили только “адрес” Ubx. Часть, ранее прописанная по “адресу” abd-A/Abd-B, теперь сменила “адрес” на Abd-В. В результате смены “адресов” на свет появился удивительный экспериментальный монстр – существо с повернутыми назад конечностями в тех местах, где обычно расположены конечности, повернутые вперед, и с короткими отростками вместо длинных. Изменение картины активности генов в сегментах тела в процессе эмбрионального развития привело к изменению типа конечностей, образующихся в соответствующих сегментах.

Патель обнаружил, что может менять генетический “адрес” и по своему желанию перемещать придатки туловища. Совершая эти действия, он не просто создавал монстров – он имитировал возникновение разнообразных форм жизни в природе.

Сравним, к примеру, амфипод с их родственниками изоподами (равноногими). Большинство из нас знакомы с изоподами в лице их самого распространенного представителя – мокрицы. Как следует из названия (от греческого “равные ноги”), у равноногих все ноги повернуты вперед, в отличие от амфипод, у которых некоторые ноги повернуты вперед, а некоторые назад. Когда Патель удалил у амфипода ген abd-A, он создал животное, которое выглядит как изопод: все его конечности повернуты вперед. Он скопировал природу: в нормальном развитии равноногих ген abd-A не участвует.

Изменения активности этих генов объясняют различия между столь разными существами, как лобстеры и многоножки. В том участке тела лобстера, где развиваются большие клешни, активируются иные сочетания генов, нежели в участке, где развиваются ноги. А у таких существ, как многоножки, у которых во всех сегментах формируются одинаковые ноги, в каждом сегменте активируются одни и те же гены. У насекомых, червей и мух эти гены формируют дорожную карту построения тела.

Но с Parhyale, лобстеров и мух история только начинается. Лягушки, мыши и люди тоже имеют версии тех же самых генов. У людей и других млекопитающих они называются по-другому. Вместо abd-A, Abd-В и прочих у нас есть гены Нох[15] с соответствующими номерами: Hox1, Нох2 и т. д. Кроме того, если мухи, черви и насекомые имеют только одну последовательность таких генов на одной хромосоме, то у нас их четыре на четырех разных хромосомах.