Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - [30]

Теперь у нас есть технология, позволяющая просканировать весь геном в поисках конкретных генов и их регуляторных последовательностей. Регуляторные последовательности разбросаны повсюду: одни находятся поблизости от генов, другие могут быть далеко, как в случае Sonic hedgehog. Активность одних генов находится под влиянием нескольких регуляторных последовательностей, активность других подчиняется лишь одной. Но вне зависимости от того, сколько этих регуляторных последовательностей и где они находятся по отношению к генам, в молекулярном механизме их действия есть определенная элегантность и даже волшебство.

Новые микроскопы, с помощью которых можно разглядеть молекулы ДНК, также позволяют наблюдать, что происходит при включении и выключении генов.

При активации гена на молекулярном уровне разыгрывается подвижная игра. Неактивные участки генома плотной спиралью обернуты вокруг других молекул и упакованы внутри ядра. Эти участки “выключены” и сравнительно инертны. Прежде чем участок ДНК активируется, он должен развернуться и раскрыться, чтобы появилась возможность синтезировать белок.

Но это только первые шаги в хореографической постановке с включением и выключением генов. Чтобы ген стал активным, его переключатель должен прийти во взаимодействие с другими молекулами и связаться с прилежащей к гену областью ДНК. После этого на основе гена начинает синтезироваться белок. Для активации Sonic hedgehog его переключателю нужно преодолеть очень большое расстояние. Вот основные фигуры танца, исполняемого при активации гена: участок генома раскрывается, высвобождая ген и его регуляторную последовательность, отдельные части взаимодействуют друг с другом, синтезируется белок. Так происходит синтез всех белков во всех клетках.

Двухметровая последовательность ДНК скручена так, что становится не больше булавочной головки. Только представьте себе, как эта структура открывается и закрывается за микросекунды, извиваясь и закручиваясь таким образом, что каждую секунду происходит активация тысяч генов. От момента зачатия и на всем протяжении нашей жизни гены непрерывно включаются и выключаются. Мы начинаем существование в виде единственной клетки. Со временем число клеток растет, и активируются целые шеренги генов, контролирующих поведение клеток и формирование тканей и органов нашего тела. Когда я пишу книгу, а вы ее читаете, происходит активация генов во всех четырех триллионах наших клеток. ДНК обладает возможностями мощнейшего суперкомпьютера. С помощью заключенного в ней кода и распределенных в геноме регуляторных участков на основе сравнительно небольшого набора из 20 тысяч генов создаются сложные тела червей, мух и людей и поддерживаются их жизненные функции. Эволюция всех организмов на Земле основана на изменениях этого невероятно сложного и подвижного механизма. Наша постоянно закручивающаяся, раскручивающаяся и разворачивающаяся ДНК – мастер акробатических номеров и дирижер развития и эволюции.

Эта новая наука связана с историей Мэри-Клэр Кинг, которая 40 лет назад боролась за то, чтобы найти различия между белками человека и шимпанзе. Они с Алланом Вильсоном предсказали роль генетических переключателей в заголовке вышедшей в 1975 году статьи “Двухуровневая эволюция человека и шимпанзе”. Один уровень – это гены, второй – механизм контроля времени и места активации генов. Главные различия между человеком и шимпанзе заключаются не в структуре генов и белков, а в переключателях, которые регулируют их работу в процессе развития. В таком аспекте пропасть между столь разными существами, как человек и шимпанзе или черви и рыбы, на генетическом уровне становится менее существенной. Если какой-то белок контролирует временные рамки или характер процесса эмбрионального развития, изменение времени и места активности этого белка может в значительной степени сказаться на строении тела взрослой особи.

Изменения переключателей, контролирующих активность генов, влияют на развитие эмбрионов и эволюцию бесконечным числом способов. Например, если белки, контролирующие развитие головного мозга, активны дольше или в разных местах, это может приводить к развитию более крупного и более сложного мозга. Настройка активности генов может приводить к появлению совершенно новых типов клеток, тканей и, как мы увидим далее, новых типов тел.

Глава 4 Прекрасные монстры

В рассуждениях об устройстве природы монстры занимали важное место. В додарвиновскую эпоху слово “монстр” имело почти технический смысл. Натурфилософы и анатомы даже изобрели классификацию для описания двухголовых коз, многоногих лягушек и сросшихся близнецов. В XVI веке многие думали, что эти деформации являются результатом избытка семени в момент зачатия или плодом беспокойных мыслей беременной женщины.

Предвестницей новой науки в XVIII веке стала идея немецкого анатома Самуэля Томаса Земмеринга (1755-1830), предположившего, что монстры – это результат нарушения нормального процесса развития, а не продукт действия загадочных сил. Выражаясь его языком, они возникали из-за “поломки генерирующей силы”. На титульном листе монографии на эту тему, выпущенной в 1791 году, изображены двухголовые люди: мертворожденные дети с двумя полностью сформированными головами, отходящими от одной шеи, и другие с одной головой, но двумя лицами. По его мнению, это были результаты нарушений нормального процесса развития на разных стадиях. Две головы возникали, если нарушение происходило на более ранней стадии развития, а двойные лица – при нарушении на более поздней стадии.