Парадокс набора генов развития и истоки биоразнообразия
Открытие общего набора генов развития у разных животных заставляет нас по-иному взглянуть на эволюцию биоразнообразия. Нам многое известно об этих генах у самых разных животных. Мы знаем, что эти гены очень древние и существовали уже до того, как возникло большинство типов животных. Кроме того, мы знаем полные нуклеотидные последовательности геномов дрозофилы, нематоды, мыши, человека, рыбы и некоторых других животных. Сравнительный анализ геномов показывает не только то, что человек имеет множество общих генов развития с дрозофилой, но и то, что с мышью у нас практически идентичный общий набор из 29 000 генов, а с шимпанзе на генетическом уровне мы совпадаем на 99%. Наличие общего набора генов развития и высокая степень генетического сходства разных видов животных представляют собой очевидный парадокс. Если набор генов развития совпадает у самых разных видов, то откуда взялись различия? Как при использовании одинаковых Hox-генов появилось такое невероятное разнообразие членистоногих? Как возникли различия между всеми млекопитающими, или между приматами, или между приматами и человеком? Чтобы понять, как с помощью одинаковых генов формируется разное анатомическое строение, нужно сначала понять, как происходит сборка одного конкретного животного. Это длинный рассказ, который станет темой двух последующих глав.
Развитие лягушки. Из книги A. Ecker, Icones Physiobgicae: Erlduterungstafeln (1851-1859).
Глава 4. Делаем ребенка: есть 25 000 генов, требуется сборка
Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.
Китайская пословица
В Колорадо глубокая ночь. Весна. В лаборатории мертвая тишина. Я в миллионный раз за последние полтора года повторяю одну и ту же процедуру. Искупав сотни крошечных белых эмбрионов дрозофилы в только что приготовленном растворе антител, я начинаю нервничать. Руководитель лаборатории Мэтью Скотт еще не в курсе, но я-то знаю, что это наша последняя попытка. Я больше не могу придумать, как выполнить этот эксперимент. У меня больше нет в запасе никаких трюков, и если и на сей раз ничего не получится, значит, мы напрасно трудились полтора года. Эмбрионы на стекле напоминают зернышки риса. Я направляю на них луч голубоватого света. Великий боже! Чудесные малютки "окольцованы" зелеными полосками! Нужно звонить шефу и бежать за выпивкой. Работа продолжается.
Вернуть цыпленка
Я рассказал о наборе генов, необходимых для развития, и о том, что открытию этого набора помогло исследование удивительных мутантов с аномальным количеством частей тела, их отсутствием или неправильным расположением. К счастью, в большинстве случаев природа все делает правильно и мухи и дети рождаются с нужным количеством частей тела в нужных местах. Но как это происходит? Каким образом эти удивительные гены превращают простую яйцеклетку в сложное животное?
Так называемый редукционистский подход в биологии заключается в изучении процессов жизнедеятельности на молекулярном уровне, для чего приходится "редуцировать" процессы и структуры до их молекулярных компонентов. Этот подход в последние пятьдесят лет использовался чрезвычайно успешно и позволил установить механизмы наследования, выявить причины многих заболеваний и создать новую медицинскую и диагностическую индустрию. Недостаток редукционистского подхода заключается в том, что многие биологические системы, такие как клетки, отдельные особи, популяции и сообщества, организованы на надмолекулярном уровне, так что знание составляющих их молекул не объясняет всех свойств этих систем. Точно так же, как знание того, что компьютер сделан из полупроводников, сверхпроводников и полимеров, не дает представления о том, как он устроен и работает, знакомство с генетическим набором инструментов не позволяет полностью воссоздать картину развития живого организма.
Эта ситуация напоминает ранний период эмбриологических исследований, когда эмбриологи изолировали с помощью "грубой силы" определенные популяции клеток, пытаясь понять, как они складываются в ткани и органы в процессе развития. Однажды Пол Вейс
[5] проиллюстрировал знакомым эмбриологам однобокость редукционистского подхода. Он показал им фотографию целого куриного эмбриона, затем фотографию эмбриона, обработанного блендером, и, наконец, фотографию эмбриона, чьи перемолотые компоненты были собраны в одно целое путем центрифугирования. Вейс предельно четко обозначил проблему редукционизма: как собрать цыпленка обратно?
Набор генов развития — это лишь часть генетического багажа, небольшая доля из 13 700 генов у дрозофилы или 25 000 генов у млекопитающих. Действительно, мы нашли очень важные для сборки организма элементы, но как собрать из них цыпленка? Или хотя бы муху? Представьте себе, что вы купили новую игру или прибор, а в коробке обнаружили только пакетики с разрозненными деталями и инструкцию, состоящую из двух слов: "требуется сборка". В предыдущей главе я рассказывал о том, как благодаря анализу мутантных животных биологи смогли обнаружить ключевые гены развития. В этой главе мы пойдем в обратном направлении и попытаемся найти путь от генов к целым животным.
"Прозреть" нам с вами помогут карты. В книге "Карта следующего тысячелетия: Открытие новой географии" (Mapping the Next Millenium: The Discovery of New Geographies) писатель Стивен С. Холл говорит о том, что составление карт — один из первых этапов любого научного исследования. Все естествоиспытатели и ученые, начиная от великих путешественников пятнадцатого и шестнадцатого столетий и заканчивая современными астрономами, физиками и океанографами, стремились измерить и затем изобразить Землю, Вселенную и океаны так, чтобы эти изображения были как можно более информативными и привлекательными. Эмбрион животного — это своего рода маленький мир, чья будущая топология размечена активностью генов развития. Холл употребил подходящую метафору, сказав, что изучение "географии" яйца является центральной темой в биологии и что для этого нам понадобятся новые карты.
В исследованиях любого рода — от изучения космического пространства до погружения в глубины живого организма — появление новых приборов и технологий всегда играло решающую роль. В эмбриологии открытие набора генов развития не просто позволило идентифицировать гены, необходимые для построения организма, но сделало доступным новый способ наблюдения за развитием. Делая видимой работу генов в развивающемся эмбрионе (это те самые зеленые кольца, которые я впервые увидел ночью в Колорадо), мы можем увидеть расположение и форму структур задолго до того, как они сформируются на самом деле. Визуализация генов развития в эмбрионе создает яркую и динамичную карту географии развивающегося организма. На этой карте хорошо видно, как благодаря работе генов развития из простого яйца постепенно формируются сложные животные и сколько в этом процессе логики и порядка.
