В частности поэтому в последние сто лет излюбленным объектом для изучения генов животных являются мухи. В отличие от млекопитающих или пресмыкающихся, мух можно добыть сколько угодно, поскольку они очень быстро воспроизводятся и развиваются. Наличие постоянного источника эмбрионов позволило ученым не только получить множество мутантов, но и описать их, классифицировать и запасти для других исследований.
Сеймур Бензер
Зачем ждать милости от природы, если можно сотворить мутанта? Процесс внесения мутаций в ДНК достаточно прост (по крайней мере в теории). Время воспроизводства мух — около недели. Если взять несколько дрозофил и обработать определенными химическими веществами или подвергнуть их облучению (это нарушает процесс копирования ДНК), то в следующем поколении мы получим множество мутантов (возможно, среди них будут нужные нам особи со странными конечностями, необычными глазами и так далее).
В конце 60-х годов лаборатория Сеймура Бензера в Калифорнийском технологическом институте являлась ведущим научным центром по изучению мутантов всех сортов. Студент Рональд Конопка решил использовать мутантов по-своему. В лаборатории Бензера занимались изучением поведения животных, и к тому времени, когда Конопка пришел в группу, в лаборатории уже были собраны мутанты с необычным брачным поведением и танцами.
Конопка намеревался использовать мутантов, чтобы изучить генетические основы биологических часов. Его идея шла вразрез с общепринятой точкой зрения. Тогда считалось, что биологические часы — это что-то вроде очень сложно устроенного секундомера.
Но Конопка оказался в нужном месте и в нужное время: Бензер был кровно заинтересован в выяснении принципа действия биологических часов. Он был типичной «совой» и засиживался в лаборатории до поздней ночи, тогда как его жена ложилась спать вскоре после ужина. Возможно, мутантные мухи смогут помочь супругам, встречающимся лишь за обеденным столом.
Конопка долго возился с дрозофилами. Личинки дрозофил выводятся из яиц, едят и наконец обзаводятся твердым внешним каркасом, из которого в итоге вылезает взрослая муха. Появление взрослых особей обычно приходится на раннее утро — самое холодное время суток. Так уж настроены мушиные внутренние часы: мухи, выведенные в искусственном цикле день/ночь, выводятся в конце ночного периода.
Примерно через двести циклов мутаций Конопка получил несколько особей, у которых временные рамки были смещены: некоторые вылуплялись слишком рано, другие слишком поздно, а третьи вообще в случайное время суток. Это было то, что нужно: изменение времени рождения практически наверняка было вызвано какими-то генетическими дефектами. Возможно, был испорчен часовой механизм дрозофилы.
В лаборатории мух каждого типа скрестили с такими же и вывели линии мутантных животных. С их помощью Конопка и Бензер начали исследование молекулярного механизма биоритмов.
Как и любой ген, ген Конопки производит белок, выполняющий в организме некую работу. Если ген известен, можно попытаться ответить на важный вопрос, где и когда функционирует кодируемый им белок. У нормальных дрозофил уровень синтеза этого белка достигает максимума в поздние ночные часы, а затем падает практически до нуля. Знание этой закономерности позволило ученым понять суть обнаруженных мутаций. У дрозофил, которые вылуплялись слишком рано, максимальный уровень синтеза данного белка тоже достигался слишком рано. У тех, что появлялись поздно, пик синтеза наблюдался слишком поздно. Сам белок у дрозофил с нарушенным суточным ритмом оказался испорченным. Снижение активности белка полностью соответствовало нарушению суточного ритма.
К этому времени ученые из других лабораторий тоже приступили к решению этой проблемы. С помощью новых методов генетики удалось выделить ДНК и обнаружить ряд других генов, задействованных в данной системе. С открытием каждого нового гена постепенно прояснялся механизм работы биологических часов дрозофилы.
Если заглянуть в «часовой механизм» организма, мы увидим внутриклеточный аналог маятника. В данном случае отсчет времени осуществляется благодаря последовательностям химических реакций, скорости которых определены физическими и химическими законами. В результате активации ДНК синтезируются взаимодействующие друг с другом белки. Они транспортируются в определенные клеточные отделы и выполняют различные задания, среди которых активация новой порции ДНК. Этот цикл постоянно возобновляется. Скорость раскачивания маятника определяется скоростью образования, превращения и транспорта белков, а также скоростью их взаимодействия с ДНК.
Мутантные дрозофилы позволили не только обнаружить гены, контролирующие биологический ритм у дрозофил, но и найти способ изучения часового механизма в организме человека.
Спустя примерно десять лет после открытия Конопки и Бензера студент Мартин Ральф занялся поиском генов, контролирующих биоритмы у млекопитающих. Ральф и его научный руководитель работали в Орегоне с сирийскими хомячками. Хомяки бегали в колесе, а ученые регистрировали их активность. В норме у хомяков есть периоды активности и отдыха, которые в сумме составляют двадцать четыре часа.
Каждый хомяк, поступавший в лабораторию, подвергался тестированию на колесе. Ральф надеялся, что однажды обнаружит животное с аномальным ритмом активности и отдыха. Он поставил на то, что среди еженедельно поступавших хомяков рано или поздно найдется мутантное животное.
Однажды Ральф получил новую партию животных, запустил их в клетку и начал наблюдать за их поведением на колесе. К его радости (и, несомненно, облегчению) цикл активности и отдыха одного из животных сильно отличался от обычного двадцатичетырехчасового цикла. Сутки для этого хомяка укладывались в двадцать два часа. Ральф скрестил этого хомяка с другими и в их потомстве также обнаружил особей с укороченным суточным циклом активности и отдыха. Нарушение суточного ритма было связано с мутацией гена.
Когда Ральф и другие стали изучать этот ген, они выяснили, что его действие в основном связано с небольшой группой клеток в ткани мозга. Мутация затрагивала клетки в участке, обнаруженном Рихтером. Ральф выиграл пари.
Картина еще более прояснилась в начале 90-х годов XX века, когда в клинику сна в Солт-Лейк-Сити обратилась пациентка со странной проблемой. Спала она по восемь часов, но в какое бы время она ни пыталась лечь спать, засыпала она всегда в 19.30, и это означало, что просыпалась она в 3.30. Ее часовой механизм работал, но со сдвигом. Когда пациент обращается в клинику, его обкладывают датчиками, которые во время сна регистрируют скорость дыхания и сердцебиения, температуру тела и другие параметры. Ничего необычного в состоянии пациентки обнаружено не было.
Однако женщина сообщила удивительный факт: среди ее родственников были люди с точно такой же странностью. Родственники, жившие в разных местах, тоже вставали очень рано. Кто-то из них в детстве спал нормально, но со временем перешел на этот странный режим. Постепенно ученые начали понимать, что дело не в том, где эти люди живут или что едят.
