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

Эти гены активны вдоль оси тела мыши и человека, причем, как и в случае дрозофил и Parhyale, они активны в разных сегментах тела. У нас нет крыльев или повернутых в разные стороны ног. У нас есть позвонки и ребра. Но, несмотря на эти различия, возникает вопрос: происходит ли наше развитие по тому же механизму, как развитие Parhyale и мух? Можно ли получить мутантные формы с разным количеством ребер и позвонков, если изменить активность генов в процессе эмбрионального развития?

Строение позвоночника млекопитающих описывается формулой, которая редко меняется: семь шейных позвонков, потом двенадцать грудных, каждый со своим ребром, а затем пять поясничных позвонков. Далее следуют крестец и хвост, который у человека сохранился в виде набора мелких сросшихся позвонков, именуемых копчиком.

Точно так же, как у дрозофил и Parhyale, у наших сегментов тела разные “адреса” генетической активности. Например, одна комбинация генов типа генов Bithorax отвечает за построение шейного отдела, другая – за формирование грудного отдела. Аналогичным образом, в пограничных участках между грудным и поясничным отделом и между поясничным и крестцовым отделом действуют разные наборы генов.

Изменение активности генов Нох предсказуемым образом превращает крестцовые позвонки в поясничные

Что происходит при замене генетического “адреса” отдела тела другим? Получить мутантную мышь гораздо сложнее, чем мутантную муху или Parhyale. На это уходят годы, главным образом потому, что мыши размножаются гораздо медленнее и нужно мутировать больше генов. Но результаты стоят ожидания.

Рассмотрим случай с позвонками поясничного и крестцового отдела. В отделе, из которого образуются поясничные позвонки, активизирован ген Нох10. Далее следует крестцовый отдел, имеющий двойной генетический “адрес”: Нох10 и Нох11. У мутанта с удаленным геном Нох11 отдел, где в норме формируются крестцовые позвонки, получает генетический “адрес” поясничного отдела. И что происходит с отделами тела? Рождается мышь, у которой все позвонки крестца превращены в позвонки поясничного отдела.

Дальнейшие эксперименты показали, что такую же ситуацию можно воспроизвести с другими генами в других отделах тела. Грудные позвонки соединены с ребрами. Удаляя соответствующие гены, всей нижней части позвоночника можно дать “адрес” грудного отдела. Результат – мышь с ребрами до самого хвоста. Как и в работе Пателя с Parhyale, модификация генов изменяет сегменты тела и образующиеся в них органы.

Можно называть продукты подобных экспериментов монстрами, но это мешает понять, насколько изумительно они демонстрируют механизмы возникновения разнообразных форм жизни. Биологические наблюдения XIX века, открытия, сделанные в “мушиной комнате”, и результаты современной геномной биологии вкупе раскрывают внутреннюю красоту построения тел животных. Генетическое строение, определяющее формирование тел мухи, мыши и человека, показывает, что все мы – вариации на общую тему. Общий набор инструментов позволил развиться многим веточкам на едином дереве жизни.

Когда гены Льюиса были найдены у самых разных видов, давно забытые загадочные труды XIX века стали восприниматься по-новому. В начале 1990-х годов идеи классиков натурфилософии, таких как Уильям Бейтсон, сделались почвой для новейших исследований. Бейтсон обнаружил, что к числу наиболее распространенных вариаций относятся изменения количества частей тела или их перестановка. Кэлвин Бриджес, Эдвард Льюис и пришедшие им на смену молекулярные биологи следовали тем же путем, который был прочерчен почти столетие назад. И точно так же, как в XIX веке, в центре всех исследований были монстры и мутанты – как обнаруженные в природе, так и созданные в лаборатории.

Я черпал знания из мира окаменелостей, из музейных коллекций и экспедиций. Но одно открытие заставило меня наброситься на изучение молекулярной биологии.

Когда анализом активности генов Нох у мышей начали заниматься исследователи из разных стран мира, обнаружилось нечто совершенно неожиданное. Мышиные гены Нох контролируют не только формирование позвонков и ребер вдоль оси тела, они активны в разных органах эмбриона – от головы и конечностей до кишечника и гениталий. Как будто они распределены по всему телу и участвуют в построении любого органа, имеющего собственную сегментарную структуру. Картина активности этих генов указывала на наличие биологического “копипейста”: генетический процесс, использующийся для формирования основной оси тела, применим и для построения других структур.

Некоторые эксперименты начала 1990-х годов показали, что активность этих генов в построении конечностей во многом напоминает их активность в построении основной оси тела; они активны на разных этапах развития и, по-видимому, сообщают генетический “адрес” разным частям конечностей. Все конечности, от лягушачьих лапок до плавников кита, имеют сходное строение костей. Все конечности начинаются с одной кости, называемой плечевой костью. Далее от локтя следуют две кости – лучевая и локтевая. Ниже располагаются кости кисти и пальцев. Размер, форма и количество костей различаются у животных, которые используют крылья для полета, плавники для плавания или руки для игры на фортепиано, но схема “одна кость, две кости, мелкие кости, пальцы” у всех одна и та же. Это важный элемент анатомии и древнейшая схема, лежащая в основе разнообразия всех существ со скелетом конечностей.

Более того, три анатомических участка – плечо, предплечье и кисть – соответствуют трем зонам с активностью разных генов Нох. Каждый участок имеет свой “адрес” генетической активности – сходным образом в теле мухи, Parhyale и мыши.

Теперь исследователи могли задаться вопросом, что происходит, если меняется картина генетической активности в разных участках конечностей. Мы видели, что изменение активности генов в разных отделах тела Parhyale и вдоль оси тела мыши предсказуемым образом влияет на развитие соответствующих органов.

В 1990-х годах французские исследователи произвели мутантных мышей, удаляя гены Нох, примерно так же, как Патель сделал с Parhyale. Когда они удалили гены Нох, активные в хвостовом отделе, они получили мутантную мышь без хвоста. А потом они проделали то же самое с конечностями. Те же гены Нох, которые отвечают за формирование хвоста, проявляют активность и при формировании конечностей. Они определяют развитие терминальных участков – кистей и стоп. Когда французские исследователи удалили эти гены, активные в конечностях, они вывели популяцию мышей со схемой конечности “одна кость, две кости”. Без соответствующих генов мыши не имели кистей и стоп.

Я большую часть жизни занимался изучением эволюции кистей и стоп из плавников рыб. Шесть лет мы с коллегами искали окаменелости, пытаясь найти рыбу с костями предплечий и кистей. И вот теперь у нас появились данные, показывающие, какие гены необходимы для развития рук.