Разумеется, дрозофилу активно использовали в генетических исследованиях еще со времен Т. Х. Моргана. Тем не менее в последующие периоды постоянных инноваций Drosophila melanogaster оставалась для генетиков настоящей «генетической золотой жилой». В конце 1970-х годов Кристиана Нюсслайн-Фольхард по прозвищу Янни, работавшая в Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гейдельберге, и Эрик Вишаус развернули яркий амбициозный проект по изучению дрозофилы. Они вызывали у мушек мутации при помощи химических соединений, а затем изучали нарушения на очень ранних эмбриональных стадиях развития насекомого. Традиционно генетики, разрабатывавшие «золотую жилу» мутаций дрозофилы, работали с имаго – как, например, Морган, обнаруживший, что в случае мутаций могут выводиться мушки с белыми (а не красными) глазками. Нюсслайн-Фольхард и Вишхаус, сосредоточившись на эмбрионах, не только были обречены на долгие годы глазного напряжения за микроскопами в поисках этих неуловимых мутантов – они устремились в terra incognita. Однако их труды были с лихвой вознаграждены. Анализ выявил несколько групп генов, закладывающих фундаментальные «чертежи» организма при развитии мушиной личинки.
Более универсальный «месседж» их работы заключался в том, что генетическая информация организована иерархически. Нюсслайн-Фольхард и Вишхаус заметили, что на некоторых мутантах опыты отражались на широкой совокупности признаков, а на других – более ограниченно; из этого они сделали верный вывод о том, что гены, оказывающие «ковровый» эффект, действуют на ранних этапах развития, то есть находятся на вершине иерархии генетических переключений. А гены, оказывающие более ограниченный эффект, включаются позднее. Они открыли каскад факторов транскрипции: одни гены включают другие, которые, в свою очередь, включают третьи и так далее. Действительно, подобное иерархическое включение генов – важнейший механизм для построения сложных организмов. Ген, продуцирующий биологический аналог кирпича, наделает огромную кучу таких кирпичей, если пустить процесс на самотек; однако при верной координации он поможет выстроить сначала стену, а затем здание.
Нормальное развитие требует, чтобы клетки «знали», в какой части организма находятся. В конце концов, клетка, расположенная на кончике крыла мушки, должна развиваться в соответствии с иными моделями, чем клетки, входящие в состав нервных узлов. Первый вопрос, который возникает относительно такой ключевой «позиционной» информации, прост: как же развивающийся эмбрион дрозофилы узнает, «что и куда поставить»? Где будет голова, а где крыло? Белок bicoid, продуцируемый одним из генов материнской особи, распределяется так, что в разных частях эмбриона его концентрация варьируется. Такой эффект именуется «градиент концентрации»: содержание белка максимально в головной части и уменьшается по мере перемещения к хвостовой. Следовательно, градиент концентрации bicoid «сообщает» всем клеткам эмбриона, в какую часть организма им встать по оси «голова – хвост». Дрозофила развивается сегментами: все ее тело состоит из члеников; при этом у всех члеников много общего, но каждый обладает и собственными уникальными чертами. Во многих отношениях головной сегмент структурно похож на грудной (средняя часть тельца насекомого), но в первом есть специфические «головные» органы, например глаза, а во втором – «грудные», например лапки. Нюсслайн-Фольхард и Вишхаус нашли группы генов, задающие характеристики различных сегментов. Так, гены группы «pair-rule» кодируют факторы транскрипции – генетические переключатели, экспрессируемые в перемежающихся сегментах. При мутациях в этих генах у эмбриона возникают пороки развития в каждом втором сегменте.
Клеточное деление. Хромосомы в клетке (синие) дублируются, а затем выстраиваются вдоль особого «веретена» (зеленое), после чего присваиваются дочерним клеткам. Высокотехнологичные приемы визуализации помогают воплотить на экране монитора блистательный «хромосомный вальс», обеспечивающий самораспространение жизни
В 1995 году Нюсслайн-Фольхард и Вишхаус совместно получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свои революционные исследования. В отличие от большинства лауреатов они оба продолжили активную лабораторную работу, а не укрылись в просторных кабинетах, увешанных дипломами. Для Вишхауса наука по-прежнему притягательна: «Поскольку эмбрионы красивы, а в клетках происходят замечательные вещи, я каждый день иду в лабораторию с прежним энтузиазмом». Вишхаус провел детство в Бирмингеме, штат Алабама, и в ту пору мечтал стать художником. Однако, будучи второкурсником в Университете Нотр-Дам, он нуждался в деньгах и поэтому взялся за одну из самых вонючих и низменных работенок в науке: готовить корм для подопытных популяций дрозофилы, выращиваемой для лабораторных исследований (это мерзкая желатиноподобная масса, состоящая в основном из черной патоки). Большинство из тех, кто служил шеф-поваром для нескольких сотен тысяч снующих неприятных насекомых, скорее всего, на всю жизнь их возненавидели. Но с Вишхаусом все вышло совершенно наоборот: он посвятил жизнь изучению дрозофилы и секретов ее развития.
Нюсслайн-Фольхард родилась в семье немецких художников и была одной из тех студенток, кто преуспевает во всем, за что бы они ни брались, а всем прочим абсолютно не занимается. Ее усердная работа по исследованию генетики развития полна достижений, которых хватило бы и на две научные карьеры, но после получения Нобелевской премии она переключила свое внимание на изучение развития совершенно другого животного – Danio rerio (вид пресноводных лучеперых рыб семейства карповых). Эта новая работа может раскрыть многие секреты, связанные с онтогенезом позвоночных. На торжественном мероприятии, состоявшемся в 2001 году в честь столетия Нобелевской премии, я поразился, что среди всех этих седовласых ученых мужей присутствовала всего одна женщина. Она была уже десятой женщиной, получившей Нобелевскую премию по естественным наукам (с тех пор еще семь женщин были удостоены такой чести в Стокгольме).
Личинки дрозофил. Слева – нормальная особь, у нее пара выступающих мохнатых усиков. Справа – мушка-мутант с антеннапедией, ее усики видоизменились и превратились в полностью сформированные лапки
На торжестве по поводу столетия Нобелевской премии – незабываемое собрание лауреатов прошлого и настоящего – присутствовал также ныне покойный Эд Льюис из Калифорнийского технологического института, получивший премию совместно с Нюсслайн-Фольхард и Вишхаусом. Он тоже давно занимался генетическим контролем развития дрозофил, но его особенно интересовали мутации, вызывающие замену одной из структур тела на другую в процессе индивидуального развития, – гомеотические мутации. Результаты их работы самые причудливые: развивающийся сегмент ошибочно принимает себя за соседний. Долгая и кропотливая работа Льюиса с Hox-генами, в которых случаются такие мутации, – пример следования настоящим ценностям, редкий в нашу эпоху, когда повестка дня науки часто зависит от различных причуд и финансовых проблем.
