Оно знал, что при делении клеток происходит копирование хромосом и в этом процессе могут возникать ошибки. Сотрудники Моргана в “мушиной комнате” наблюдали за делением клеток. Прокрашивая хромосомы для визуализации полос, они смогли увидеть, как происходит копирование и какие ошибки возникают в клетках. Большинство животных имеют в каждой клетке два набора хромосом – по одному от каждого из родителей. У человека 23 пары хромосом, и в каждой паре есть одна хромосома матери и одна хромосома отца, так что всего каждый из нас имеет 46 хромосом. Но хотя в большинстве наших клеток содержатся две копии каждой хромосомы, в сперматозоидах и яйцеклетках копия всего одна. При образовании сперматозоидов и яйцеклеток происходит репликация ДНК и копирование хромосом, но в каждый сперматозоид или яйцеклетку попадает лишь один набор. Однако иногда случаются ошибки. При копировании хромосом новые пары могут обмениваться материалом. Если обмен неравный, одна хромосома получает больше копий генов, другая меньше. Этот процесс может привести к рождению потомства с дополнительными копиями одного и того же гена и, следовательно, с геномом более крупного размера, что и наблюдал Бриджес в случае дрозофилы с маленькими глазками или Оно, когда взвешивал фотографии.
Еще один тип ошибок может повлиять на весь геном в целом. После копирования хромосомы попадают в новые сперматозоиды и яйцеклетки. Если они распределяются неправильно, в некоторых сперматозоидах и яйцеклетках могут оказаться дополнительные хромосомы. В данном случае происходит дупликация не какого-то одного гена, а многих тысяч генов, которые могут находиться на этой хромосоме. И такой сперматозоид или такая яйцеклетка может дать начало эмбриону не с нормальным двойным набором хромосом, но с дополнительной заблудившейся хромосомой или с целой группой таких хромосом. Вместо двух копий каждой хромосомы сперматозоид или яйцеклетка могут иметь три копии или более.
Наличие дополнительной хромосомы может вызвать серьезнейшие последствия. Часто при изменении равновесия генетического материала нарушается тонкий механизм взаимодействия между генами, необходимый для нормального развития. Один из результатов – врожденные аномалии. Синдром Дауна возникает в тех случаях, когда в эмбрионе оказывается дополнительная копия хромосомы 21. Проявления синдрома наблюдаются во всем организме – от нервной системы до формы лица и глаз и складок на ладонях. Генетики создали каталог различных хромосомных аномалий, включая синдром Патау, при котором в клетках эмбриона имеется дополнительная копия хромосомы 13, и синдром Эдвардса, возникающий при наличии дополнительной хромосомы 18. В обоих случаях затрагивается развитие практически всех частей тела: головного мозга, скелета и органов.
Но одно дело родиться с одной дополнительной хромосомой, а другое – когда в эмбрионе продублирован целый набор хромосом. Может произойти биологическое чудо. Вместо двух копий, как в норме, может появиться набор из трех, четырех или даже шестнадцати копий, а то более. Почти при каждом приеме пищи мы поглощаем существ с дополнительными наборами хромосом. В бананах и дынях таких наборов три, в картофеле, луке-порее и арахисе четыре, в клубнике целых восемь. Растениеводы давно выяснили, что скрещивание растений с дуплицированными полными геномами иногда позволяет получать потомство с дополнительным набором хромосом, которое может быть ярче по цвету или вкуснее. Никто не знает, почему это так, но есть предположение, что добавочный генетический материал используется для новых целей, что дополнительно стимулирует рост и метаболизм.
Такие хромосомные всплески происходят в природе регулярно. Если сперматозоид с дополнительным набором хромосом оплодотворяет яйцеклетку с дополнительным набором хромосом, эмбрион может оказаться жизнеспособным и даже более здоровым. И это новое существо будет отличаться от своих родителей. Поскольку его геном так сильно отличается от генома родителей или братьев, он сможет произвести потомство только с другим организмом, тоже имеющим дополнительный набор хромосом. Эти своего рода “перспективные монстры” – продукт генетической мутации, произошедшей за одну стадию в результате изменения распределения хромосом по сперматозоидам и яйцеклеткам. В мире насчитывается более 600 тысяч видов цветковых растений. Более половины из них имеют удвоенные наборы хромосом, получившиеся из-за простого сдвига в процессе образования сперматозоида и яйцеклетки.
Но то, что часто случается в мире растений, редко случается в мире животных. Подобные мутанты млекопитающих, птиц или пресмыкающихся редко оказываются жизнеспособными. Значительное число видов с дополнительными наборами хромосом обнаружено у некоторых пресмыкающихся, земноводных и рыб. Ящерицы часто рождаются с несколькими наборами хромосом. Существа с таким генетическим строением растут и выглядят нормально, но чаще всего стерильны. А вот лягушки и некоторые виды рыб могут иметь несколько наборов хромосом и при этом нормально размножаться.
Когда Оно вырезал свои фотографии, он знал, что при простых ошибках в клетках может происходить удвоение хромосом, их частей и даже наборов хромосом. Таким образом, он мог представить себе мир из множества копий и их копий. По его мнению, удвоение было источником изобретений.
Вырезанные фотографии хромосом саламандр и лягушек предлагали новый взгляд на происхождение генетических изобретений в истории жизни. На тот момент считалось, что топливом для эволюции за счет естественного отбора служат небольшие изменения генов. Оно подумал: а что, если двигателем эволюционных изменений было удвоение генов? Тогда изобретения для реализации новых нужд получались в уже готовом виде. Если ген удваивается, на месте одного возникают два. Благодаря этой избыточности один ген может оставаться прежним и выполнять свою первую функцию, а вторая копия может меняться и приобретать новую. Новый ген получается со свистом и практически без затрат для хозяина.
Удвоение ДНК может стать основой для генетических изменений на любом уровне. Полезные части уже готовы для модификаций в разных направлениях: применяем старое для создания нового.
К тому времени, когда Оно закончил вырезать фотографии хромосом, начали появляться данные о последовательностях различных белков. И они подтвердили широкую распространенность копирования в геноме. Существуют копии всех сортов: могут копироваться целые геномы или отдельные гены, и даже в молекулах белков встречаются повторы отдельных последовательностей. В этих дуплицированных белках Оно слышал особую музыку. Оно и его жену Майдори, певицу, часто приглашали на различные общественные мероприятия, чтобы услышать в их исполнении музыку удвоенных молекул.
Копии повсюду
Геном на каждом уровне организации напоминает музыкальную партитуру, в которой одна и та же музыкальная фраза повторяется в разных вариантах, создавая широкое разнообразие звуков. На самом деле, если бы природа была композитором, она была бы крупнейшим в мире нарушителем авторских прав: абсолютно все, от фрагментов ДНК до целых геномов и белков, является измененной копией чего-то другого. Анализ дупликаций в геноме можно сравнить с примеркой новых очков: мир кажется иным. Как только вы увидели дупликации в геноме, вы начинаете видеть их повсюду. Новый генетический материал выглядит как копия старого, перепрофилированного для решения новых задач. Творческий потенциал эволюции заключается в имитации, позволяющей на протяжении миллиардов лет удваивать и модифицировать старую ДНК, белки и даже схемы строения органов.
Ученые столкнулись с явлением дупликации, как только начали анализировать последовательности белков (вспомним Цукеркандля и Полинга). Белок крови гемоглобин, переносящий кислород, существует во множестве форм, каждая из которых соответствует определенным условиям жизни. Потребности плода отличаются от потребностей взрослого существа. В матку кислород проникает с кровью матери, тогда как взрослый человек дышит легкими. Этим фазам жизни соответствуют разные формы гемоглобина, являющиеся копиями друг друга.
Различающиеся аминокислотные последовательности белков – разные версии одного и того же. Примеры можно найти в любых тканях и органах: кожа, кровь, глаза, нос – лишь некоторые из них.
Белок кератин обеспечивает особые физические свойства наших ногтей, кожи и волос. В каждой из этих тканей содержится свой тип кератина – более пластичный или более жесткий. Семейство генов кератина возникло в результате дупликации предкового гена, после чего в каждой ткани возникли свои специфические кератины.
Цветовое зрение реализуется благодаря активности белков, называемых опсинами. Люди видят широкий спектр цветов, поскольку у нас есть три формы опсина, настроенные на восприятие света с разными длинами волн – красного, зеленого и синего. Эти опсины – результат дупликации одного гена с образованием трех вариантов, что привело к расширению наших зрительных возможностей.
Аналогичная картина наблюдается в отношении молекул, позволяющих распознавать запахи. Диапазон распознаваемых животными запахов в значительной степени определяется количеством генов обонятельных рецепторов. У человека их около пятисот, но нам очень далеко до собак и крыс, у которых имеется тысяча и полторы тысячи рецепторов соответственно (у рыб их около 150). Зрение, обоняние, дыхание и практически все проявления физиологической активности животных существуют благодаря дупликации генов. Почти каждый белок в теле – модифицированная копия более древней версии, перепрофилированной для решения новой задачи.
Льюис и те, кто пришел после него, видели, что гены, ответственные за построение тел, часто являются модифицированными копиями друг друга. Гены Льюиса, Bithorax у дрозофил и Нох у мышей, – продукты удвоения. Столь важные для организации тела гены Нох образуют обширное семейство, которое со временем еще больше расширяется. У человека, как у мыши, 39 таких генов, а у дрозофилы только восемь. Та же закономерность справедлива и для другого важного генетического инструмента, ответственного за построение тел животных. Гены семейства