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.
Паста из монстров
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.
Теперь, зная последовательности генов, ученые могли применить те же методы в более широком масштабе и посмотреть, в каких частях тела мухи эти гены проявляют активность в процессе развития и где они располагаются на хромосомах. Используя все те же приемы, которые были придуманы в начале работы с мутантами, ученые из разных лабораторий мира обнаружили нечто неожиданно прекрасное: все эти гены располагаются на хромосоме рядком, и каждый из них активируется в конкретном сегменте тела мухи.
В процессе этой экспериментальной гонки Ливайн беседовал с исследователем из другой лаборатории, и тот заметил, что мухи – не единственные животные с сегментированным строением тела. Тело земляного червя представляет собой трубку, состоящую из сегментов-блоков. Почему бы не посмотреть и на червей? Может быть, их гены тоже соответствуют сегментам тела.
После этого случайного замечания Ливайн и Макгиннис бросились в сад позади здания лаборатории и начали собирать всех противных ползучих существ, каких только смогли найти: червей, мух и разных других насекомых. Выделив из каждого из них ДНК, они стали проверять, нет ли и у них подобной последовательности генов. Такая последовательность нашлась. Но на этом ученые не остановились. Последующие эксперименты показали, что такая последовательность есть в ДНК лягушек, мышей и даже человека.
Дальнейшие исследования на червях, мухах, рыбах и мышах продемонстрировали универсальный принцип строения тел животных. Версии мушиных генов, ответственных за построение тела, обнаруживаются буквально у всех видов, от червей до человека. Все эти гены собраны на хромосоме вместе, как бусины на нитке. И каждый ген, по-видимому, проявляет активность в специфическом сегменте тела – головном, грудном или брюшном. Кроме того, как первым заметил Льюис, положение каждого гена на хромосоме соответствует порядку расположения сегментов от передней до задней части тела.
Статьи об этих генах относились к числу тех, которые повлияли на направление моей работы в области генетики и молекулярной биологии почти четыре десятилетия назад.
В 1995 году Нобелевский комитет признал заслуги Эдварда Льюиса в открытии нового мира в биологии. Принимая награду, Льюис, как обычно, выразился осторожно. В своей Нобелевской речи он сказал, что никакие премии нельзя сравнивать с его первой любовью – “мухами и занятиями наукой”.
Гены Нох, собранные как бусины на нитке, участвуют в построении сегментов тела и мухи, и мыши
Мир жуков, мух и червей – это сборная солянка существ с разным числом сегментов и разными отходящими от них придатками. Представьте себе лобстера с антеннами на лбу, с большими клешнями, малыми клешнями и ногами. Каждый из этих придатков отходит от определенного сегмента тела. У многоножек от всех сегментов тела отходят одинаковые ноги. Летающие насекомые в некоторых сегментах имеют не ноги, а крылья. В теле человека есть позвонки, ребра и конечности. Теперь, зная о существовании этих генов, ученые начали искать ответ на вопрос, как развивалась и эволюционировала базовая архитектура тел животных.
Кэлвин Бриджес обнаружил участок хромосомы, ответственный за появление дополнительного набора крыльев. Эдвард Льюис показал, что в участке содержится несколько генов, каждый из которых активен в определенной части тела. А Ливайн, Макгиннис и Скотт продемонстрировали древнейшее происхождение этих генов у всех видов животных. Появилось новое поколение ученых, вдохновленных этими идеями и решительно взявшихся за выяснение механизмов работы этих генов.
Копипейст
Когда мои дети были совсем маленькими и проводили время на пляже Кейп-Кода, они часто находили в песке крохотных животных, по форме напоминающих креветок. Подталкивая их и наблюдая за реакцией, дети прозвали их “прыгунами”. Эти существа, которых вообще-то называют бокоплавами, или песчаными блохами, имеют светлоокрашенное тело длиной около сантиметра и обычно живут в прибрежном песке. Если их подтолкнуть, они сжимаются и выпрыгивают вверх на несколько десятков сантиметров. Эта известная всем пляжная разновидность – лишь один из восьми тысяч видов. Все они обладают удивительной способностью перемещаться самыми разными способами: они плавают, роют, подпрыгивают. Для этого у них есть все необходимое, как в швейцарском армейском ноже: большие ноги, маленькие ноги, ноги, повернутые вперед, и ноги, повернутые назад. Их название – амфиподы – имеет греческое происхождение и указывает на наличие ног, повернутых вперед и назад: amphi означает “двоякий”, pod — “нога”.
Организовав собственную лабораторию в Чикаго в 1995 году, биолог Нипам Патель пытался найти идеальное животное для изучения функции генов в построении тела. Поскольку амфиподы имеют множество разнообразных ног, он счел их подходящим объектом для изучения генов Льюиса. Несколько лет он провел за исследованием немецких монографий XIX века в поисках лучшего вида амфипод для лабораторной работы. XIX век прославился качеством анатомических иллюстраций и описаний – целые отделы библиотечных комнат посвящены описаниям различных групп животных. Вооружившись знаниями, почерпнутыми из текстов и литографий, Патель разработал план, который превосходным образом совмещался с его давнишним хобби.