Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - [46]

Первые расчеты Бриттен произвел на ДНК теленка и лосося, а затем перешел к сравнению с ДНК других видов. Хотя он ожидал обнаружить в геноме множество копий, результат его ошеломил. По его оценкам, до 40 % генома теленка было образовано повторяющимися последовательностями. В ДНК лосося этот показатель был ближе к 50%. Невероятное число повторов в каждом геноме было столь же удивительно, как и распространенность этого явления у разных видов. ДНК практически всех животных, которую Бриттен подвергал расщеплению и сборке, содержала гигантское количество повторяющихся элементов. Используя грубую технологию того времени, он оценил, что некоторые элементы представлены в геноме более чем в миллионе копий.

Продвижение геномных проектов привело к тому, что мы можем видеть специфические участки генома, возникшие в результате удвоения, и в более тонком разрешении представить ранние результаты Бриджеса, Оно и Бриттена. Фрагмент ALU длиной около 300 оснований есть в геноме всех приматов. В геноме человека на долю повторов ALU приходится целых 13% ДНК. Еще один короткий фрагмент, LINE1, повторяется в человеческом геноме сотни тысяч раз и составляет до 17% генома. В сумме более двух третей нашего генома составлено из повторяющихся копий последовательностей с неизвестной функцией. Процесс дупликации в геноме вышел из-под контроля.

Рой Бриттен публиковал научные статьи вплоть до 90-летного возраста, до самой смерти от рака поджелудочной железы в 2012 году. За год до смерти в журнале Proceedings of the National Academy of Science он опубликовал свои новые данные в статье, озаглавленной “Почти все человеческие гены возникли в результате дупликации”, – у Оно это вызвало бы улыбку.

Кукурузные гены

Барбара Макклинток (1902-1992) начала свою научную карьеру, следуя по стопам Т. X. Моргана и пытаясь понять основы генетики. К сожалению, когда Макклинток пришла в Корнеллский университет, женщинам не разрешали специализироваться в области генетики, так что ей пришлось избрать “женскую” специализацию в сфере садоводства. Но все же Макклинток победила. Изучая генетику кукурузы, она в конечном итоге присоединилась к числу ученых, открывших новые научные горизонты.

Как объект исследований кукуруза имеет ощутимое преимущество перед дрозофилами Моргана. В одном початке может содержаться до двенадцати сотен зерен. Макклинток знала, что кукуруза идеально подходит для генетических исследований, поскольку каждое зерно представляет собой отдельный зародыш – отдельное существо. В следующий раз, когда будете есть кукурузный початок, вообразите, что едите более тысячи генетически различающихся существ. Для Макклинток каждый початок стал яслями, в которых она могла изучать генетику. Кроме того, сортов кукурузы множество, и початки могут быть разного цвета – от белого до синего и крапчатого. Один початок кукурузы может стать основой эксперимента с участием тысяч отдельных особей – быстрого, дешевого и информативного.

Барбара Макклинток и кукуруза

Подобно группе Моргана, Макклинток начала работу с поиска методов визуализации хромосом. Обрабатывая кукурузу несколькими красителями, она смогла составить подробную карту в виде темных и светлых полос. А потом ей повезло. Она нашла фрагмент хромосомы кукурузы, в котором часто происходило расщепление хромосомы, как будто в этом месте был какой-то структурный дефект. Сосредоточившись на этом участке, Макклинток составила его подробную карту в разных зернах. К своему удивлению, она обнаружила, что этот нестабильный фрагмент перемещается в геноме с места на место. Столь простое наблюдение привело к формулировке одной из важнейших концепций в истории генетики: геном не статичен, гены могут перемещаться с места на место.

Макклинток на этом не остановилась. Она была внимательным и основательным исследователем и не хотела рассказывать миру о своем открытии, пока не выяснит его значения. Ее интересовало, оказывает ли перемещение генов какое-то влияние на зерна. Что, если прыгающий ген приземлится там, где расположен другой ген?

Для ответа на вопрос Макклинток воспользовалась особыми свойствами кукурузы. По мере деления клеток в них происходит образование пигмента. Зерно начинает развиваться от единственной клетки, которая непрерывно делится. Если исходная клетка окрашена, скажем, в лиловый цвет, зерно будет состоять из потомков этой клетки, тоже лиловых. Но вообразите, что в процессе деления в одной из клеток происходит генетическое изменение, в результате которого ген лилового пигмента претерпевает мутацию. Дочерние клетки этой клетки не станут лиловыми, они будут иметь “неправильный” цвет, обычно белый. Эти белые клетки продолжат делиться, создавая потомство белых клеток. В результате сформируется почти полностью лиловое зерно с белым пятном.

Отслеживая появление цветовых пятен на каждом зерне, Макклинток могла понять, где и когда в генах зерен произошли мутации. Она могла проанализировать мутации в каждом зерне и повторить эксперимент в тысячах зерен в каждом початке. Она исследовала сотни тысяч зерен, чтобы в результате скрещивания получить образцы разного цвета с разными пятнами. Она установила, что мутации цвета могут включаться и выключаться, и опять включаться. Исследуя хромосомы, как это делали Бриджес и Морган, она обнаружила, что мутации возникают тогда, когда нестабильный фрагмент хромосомы перескакивает на новое место и оказывается внутри гена пигмента. Встроившись в ген пигмента, он может нарушить его активность, так что пигмент не вырабатывается. Когда нестабильный фрагмент покидает данное место, пигмент вновь может синтезироваться. Геном кукурузы наполнен генами, которые производят собственные копии и перескакивают с места на место, приводя к образованию цветных пятен на зернах.