Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - [34]
Нормальная дрозофила (слева) и мутант Bithorax (справа)
Попытки Моргана и Бриджеса понять появление одного признака у дрозофилы открыли новый мир с новыми задачами и возможностями. Они и другие ученые показали, что различные признаки мух наследуются. От одного поколения к следующему передается какой-то биологический материал, который позволяет развивающемуся эмбриону мухи выращивать крылья в правильном месте. Мутанты Бриджеса показали, что этот материал находится где-то в последовательностях мушиных хромосом. Но что это за материал, который отвечает за построение органов и тел, и как он творит чудеса? Может ли он рассказать нам о том, как создаются тела и как они эволюционировали на протяжении миллионов лет?
Бусины на нитке
У Эдварда Льюиса (1918-2004) интерес к мухам возник после того, как он увидел рекламное объявление в газете. Льюис родился в Уилкс-Барре в Пенсильвании, был невероятно любознательным и часами просиживал в местной библиотеке. Увидев объявление о фруктовых мухах, он показал его в своем школьном биологическом кружке. В кружке вывели колонию дрозофил, и Льюис начал с ними экспериментировать.
Льюис поступил в Калтех в 1939 году, через год после смерти Бриджеса, чтобы обучиться генетическим методам, разработанным в “мушиной комнате”. Это был очень спокойный человек с удивительно регулярным распорядком дня. Раннее утро он проводил в лаборатории, ровно в восемь шел заниматься спортом, потом опять работал в одиночестве, шел на ланч в знаменитый факультетский клуб “Атенеум”, затем опять работал, а перед ужином играл на своей любимой флейте. Как Бриджес, он обладал удивительной способностью по многу часов разглядывать дрозофил под микроскопом. Рассказывают, что его любимым временем были тихие вечера в лаборатории после ужина. Для Льюиса поиски и разведение мутантных дрозофил служили чем-то вроде медитации.
Эдвард Льюис со своей флейтой в гостях у друга
Помещение, где Бриджес разработал важные технические новшества, все еще функционировало, там разводили знаменитых мутантов Bithorax. Льюис знал об этих мутантах и имел кое-какие идеи относительно их строения. Поскольку карта Бриджеса показывала, что мутация у Bithorax охватывает несколько хромосомных полос, Льюис подозревал, что на этом участке может располагаться не один, а несколько генов, ответственных за развитие эмбриона.
Пытаясь найти способ извлечения генетического материала, ответственного за построение дополнительных крыльев, Льюис разработал новую, но весьма трудоемкую методику изучения Bithorax. Этой работой он занимался несколько десятков лет, и за десятилетие не опубликовал ни одной статьи, поскольку все свое время посвящал работе с Bithorax. Шестистраничная статья, вышедшая в 1978 году, была столь же революционной, сколь непостижимой. Чтобы полностью понять смысл, ее нужно прочесть несколько раз, поскольку в ней содержится множество идей, возникших за годы размеренной жизни с мухами.
Льюис разработал новый мощный метод: он удалял значительный участок хромосомы мухи и смотрел, какой эффект окажет отсутствие этого участка на развитие тела насекомого. А затем последовательно добавлял маленькие фрагменты из удаленного участка и опять смотрел, что происходит с телом. Такой подход позволил ему определить, за что отвечают отдельные фрагменты хромосомы.
Мне это напоминает диету, называемую “чисткой организма”, которая периодически входит в моду. Люди несколько дней голодают, а потом постепенно и последовательно вводят в свой рацион отдельные группы продуктов в разных сочетаниях. Полностью отказавшись от еды, а потом на протяжении нескольких дней добавляя, например, только молочные продукты и яйца, можно понять, как яйца, молоко или сыр влияют на энергетическое состояние и настроение. Если после воздержания от еды добавлять продукты в разных сочетаниях, можно наблюдать влияние, например, молочных продуктов и темно-зеленых листовых овощей. Льюис сделал то же самое с большим участком хромосомы мутанта Bithorax: сначала он полностью извлек его и получил взрослое животное, чтобы посмотреть на произведенный эффект, а затем встраивал обратно небольшие кусочки по отдельности и в разных сочетаниях в другие эмбрионы, отмечая их роль в формировании тел мух при развитии взрослых особей.
Придуманный Льюисом генетический вариант “копипейста” позволил понять, что Bithorax возникает в результате действия не одного гена, а группы из многих генов. Гены на хромосоме сидят рядком, как жемчужины в ожерелье. Льюис подумал, что в эмбрионе эти гены должны работать сообща, но при этом каждый выполняет собственную функцию. Однако самое удивительное заключалось в другом.
Тело мухи от передней до задней части состоит из сегментов: голова, грудь и брюшко. На каждом сегменте есть специфические отростки: антенны и ротовые придатки на голове, крылья на груди и ноги и церки на брюшке[13]. Льюис обнаружил, что все гены в хромосомном участке Bithorax контролируют развитие разных сегментов тела мухи. Один ген размещает антенны на голове, другой – крылья на груди, а третий – ноги на брюшке. Эти гены отвечают за общую архитектуру тела. Организация тела от передней до задней части запрограммирована на генетическом уровне. К всеобщему удивлению, оказалось, что структура тела, как в зеркале, отражается в положении генов на хромосоме: гены, активные в области головы, находятся на одном конце последовательности, активные в области брюшка – на другом конце, а те, которые участвуют в формировании грудного сегмента, располагаются в середине. Организация тела отражается в активности и структуре генов.
