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.
Используем заново, перерабатываем и перепрофилируем
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.
Этот результат заставил меня направить мои собственные исследования по новому пути. Я понял, что должен не только собирать окаменелости, но и научиться экспериментировать с генами. Наличие такого набора инструментов давало мне возможность искать ответы на другие вопросы. Были ли подобные гены у рыб? Если да, зачем они нужны в плавниках? Могут ли эти гены рук объяснить, как плавники превратились в конечности?
Рыбы на рынке, в океане или в аквариуме не имеют пальцев рук и ног; вообще говоря, плавники образованы пучком костей (плавниковых лучей) с плавательной перепонкой между ними. Кости плавниковых лучей отличаются от костей пальцев. Кости формируются из хрящевой ткани, тогда как плавниковые лучи сразу развиваются под кожей. Как нам известно из палеонтологических данных, переход от плавников к конечностям подразумевал два важнейших изменения: появление пальцев и исчезновение плавниковых лучей.
Поскольку французская исследовательская группа обнаружила гены, необходимые для формирования кистей и стоп, у мышей, вы можете подумать, что эти гены есть только у существ с конечностями. Но это не так. У рыб они тоже есть. Что же эти гены, ответственные за формирование кистей и стоп, делают в плавниках рыб?
Два молодых биолога в моей лаборатории в Чикаго четыре года занимались этой проблемой. Сначала Тэцуя Накамура пытался воспроизвести эксперименты с генами млекопитающих на плавниках рыб. Он аккуратно удалил гены, но животных без этих генов вырастить непросто. Вспомните, что эти же гены участвуют в построении позвонков, поэтому мутантному животному трудно плавать. Через три года работы по созданию мутантов и подбору условий для их выживания Накамура обнаружил нечто замечательное: при удалении этих генов из генома получались мутантные рыбы без плавниковых лучей.
Гены, активные при формировании кисти руки (слева), также активны у рыб и отвечают за формирование концов плавников.
Светлые зоны соответствуют участкам развивающихся конечностей, в которых проявляют активность аналогичные гены Нох
Со вторым молодым исследователем я познакомился в 1983 году, когда мой профессор анатомии Ли Герке привел с собой на лекцию своего совсем еще маленького сына. Я и представить не мог, что через двадцать лет этот ребеночек, Эндрю Герке, придет работать над диссертацией в мою лабораторию. Герке, как и Накамура, почти каждую ночь просиживал за экспериментами в лаборатории до трех часов утра. Группа канадских исследователей показала: если пометить гены, отвечающие за формирование передних лап мыши, и проследить за развитием конечности, выясняется, что почти все меченые клетки оказываются в кисти и пальцах. В этом нет ничего неожиданного. Неожиданным оказалось то, что происходит с плавниками рыб. Однажды поздно ночью Герке следил за активностью генов в плавниках рыб и сфотографировал происходящее. Эта картинка оказалась на первой странице The New York Times, поскольку демонстрировала кое-что важное. Гены, необходимые для формирования кистей мыши и человека, у рыб не только присутствуют, но и формируют кости на концах плавников – плавниковые лучи.
Превращение плавников в конечности сопровождалось перепрофилированием на всех уровнях: у рыб тоже есть гены, ответственные за формирование кистей и стоп, они создают концы плавников; версии тех же самых генов участвуют в формировании задней части тела мух и других животных. Великие революции в истории жизни не обязательно происходят через массивное изобретение новых генов, органов или способов существования. Новые варианты применения уже существующих признаков открывают широчайшие возможности для потомков.
Модификация, перенаправление или переключение уже существующих генов обеспечивают возможность эволюционных изменений. Для образования новых органов в телах не нужно изобретать с нуля новые генетические рецепты. Можно использовать существующие гены и связи между ними и модифицировать для формирования совершенно новых вещей. Принцип применения старого для создания нового справедлив на всех уровнях развития жизни – даже в отношении создания новых генов.
Глава 5Талант имитатора
В XVII и XVIII веках изучение тел животных было таким же волнующим занятием, как экспедиции в другие части света. Еще только предстояло установить основы анатомии человека, не говоря уже о разнообразных существах, найденных в удаленных уголках Земли. Как горные вершины, реки и другие географические объекты, структуры тела часто называли в честь открывших их людей. Эти названия отражают нашу историческую связь с сотнями ученых, которые первыми анализировали структуры тела. В сердце есть проводящие волокна, называемые пучком Бахмана. В глазу есть круговая связка – кольцо волокон вокруг зрительного нерва, – именуемая Цинновой связкой. А как забыть “подвижную связку Генри”