Эво-дево — магия XXI века. Писатель-фантаст Артур Кларк как-то сказал, что достаточно развитая наука становится неотличимой от магии. В наше время это утверждение в первую очередь применимо к новой науке, именуемой эво-дево — эволюционной биологии развития. Эта новая дисциплина порой напоминает фильмы–ужастики, но за ней — надежда на излечение болезней, приговор по которым сегодня — смерть
Юрий Панчул, Саннивейл, Калифорния
Вначале 1990-х годов швейцарский исследователь Вальтер Геринг произвел странный эксперимент. Геринг внедрил ген мыши Pax-6, ответственный за формирование глаза, в тело… мухи. В результате у мухи начали формироваться недоразвитые глаза в самых разных местах тела — на ногах и даже на крыльях. Но самое поразительное: эти глаза были не мышиные, а мушиные. Как это возможно? Ведь анатомически глаза млекопитающих не имеют никакого отношения к фасеточным глазам насекомых. Каким образом генетическая программа мыши заработала в организме мухи? Ответ на этот вопрос был получен в рамках новой науки эво-дево1 , которая занимается расшифровкой и модификацией генетической программы построения тел живых существ во время эмбрионального развития.
Сердце на заказ
В последние годы ведутся ожесточенные споры об этичности клонирования и использования эмбриональных стволовых клеток. Противники абортов считают, что использование эмбриональных клеток неэтично, ученые же оправдывают эту технологию тем, что в будущем специалисты научатся выращивать из стволовых клеток органы — сердце, печень, почки, которые можно будет использовать для пересадки тяжелобольным людям. В этих спорах часто упускается важный момент. Стволовые клетки сами по себе не вырастают в заказанную под больного печень или сердце. Вопрос в том, как «заставить» стволовые клетки работать по заданию. Ответ на него, в частности, ищут и адепты эво-дево.
Проблема, над которой долго бились ученые: каким образом аморфная группа клеток эмбриона вдруг «решает», что вот именно в этом месте должна начать расти нога или формироваться сердце? Согласно эво-дево, каждая клетка эмбриона ведет себя подобно водителю автомобиля, использующего навигатор системы GPS2 . GPS автомобиля принимает сигналы от висящих над Землей спутников и, в свою очередь, определяет координаты точки земной поверхности, на которой находится автомобиль. Потом компьютер GPS смотрит на записанную на компакт-диске карту города и дает водителю подсказку — повернуть направо или ехать прямо.
Вижу цель
В эмбрионе некоторые клетки тоже играют роль «маяков», испуская химические сигналы. Если бы принимающая сигнал клетка могла думать, это выглядело бы так: «Вижу сильный сигнал от группы клеток ниже шеи, сигнал послабее от клеток района головы и совсем слабый сигнал от клеток района хвоста; другие клетки сигналят, что я между спиной и грудью. Получается, я нахожусь в месте, где должно формироваться сердце, но химического сигнала от сердца еще нет. Ага! Значит, сердце придется формировать мне. Испускаем сигнал «сердце здесь» и начинаем вырабатывать протеины, чтобы стать специализированной клеткой сердца». Теперь сигнал «сердце здесь» получат и соседние клетки, в результате чего после многих клеточных делений и принятия уточняющих «решений» в данном месте тела вырастет сердце.
Но это еще не все. Наш организм имеет механизмы оптимизации действий клетки. Происходит это так: каждая клетка тела несет в себе полную инструкцию по «сборке» всего тела, записанную в ДНК. Но клетке нет необходимости выполнять всю «инструкцию». Например, клетке мозга не нужно выполнять все части инструкции для клетки желудка, и наоборот. Существуют «молекулярные переключатели», которые определяют, какая именно часть инструкции исполняется для данной клетки в данный момент времени. Такой молекулярный переключатель состоит из участка ДНК и «приклеившейся» к нему контролирующей молекулы белка. Приходящий в клетку химический сигнал взаимодействует с контролирующим белком, который может «включить» или «выключить» находящийся неподалеку ген. Так, кстати, было сделано и еще одно фундаментальное открытие. Раньше считалось, что большая часть ДНК человека — это некая «темная материя» (она называется «мусорная ДНК»), которая никак не используется. Выяснилось: еще как используется — для кодирования вот этих самых молекулярных переключателей.
Сиамские близнецы саламандры
Эво-дево стоит на четырех китах: экспериментах на эмбрионах животных, изучении мутантов, открытии регулирующих генов и палеонтологии. Еще в 1903 году немецкий эмбриолог Ханс Шпеманн решил узнать, где находится информация о формировании эмбриона, и приступил к экспериментам по удалению и пересадке миниатюрных фрагментов эмбрионов тритонов3 . Самый известный эксперимент в лаборатории Шпеманна был поставлен его студенткой Хильде Манголд.
У Хильде был талант к супертонким операциям на зародышах. Она взяла зародыш земноводного (саламандры) размером не более 2 миллиметров и пересадила его фрагмент размером всего в несколько клеток в другой эмбрион. В результате она получила сиамских близнецов и вместе со Шпеманном заключила, что пересаженный ею фрагмент является «организатором», источником информации о плане тела4 .
Рыба с пальцами
В 1950–1960 годах опыты на эмбрионах продолжили биологи Эдгар Звиллинг, Джон Саундерс и Мэри Гасселинг, которые работали с куриными яйцами, и выяснили, какой фрагмент контролирует формирование куриного крыла. При удалении этого фрагмента на ранних стадиях формирование крыла останавливалось, на поздних — крыло получалось недоразвитое, а при пересадке этого фрагмента другому эмбриону у того вырастал двойной набор «пальцев». Этот «организатор крыла» назвали ZPA5 .
Научный прорыв произошел, когда выяснилось, что можно просто делать точечную инъекцию формы витамина A, который оказался химическим сигналом «здесь формируется крыло». Следующим шагом было отыскание гена, который, собственно, и реагирует на сигнал и создает само крыло. Этот ген был найден в 1993 году исследователем из Гарварда Клиффом Табиным. Ген получил название sonic hedgehog, в буквальном переводе — «звуковой ежик»: на самом деле слово «sonic» ученые позаимствовали у персонажа популярной компьютерной игры.
В 90-е годы эмбриологи и генетики стали работать с палеонтологами. В частности, оказалось, что такой эпизод эволюции, как превращение плавников рыбы в конечности с пальцами, можно объяснить сравнительно простой мутацией этого самого «ежика» — регулирующего гена. Чтобы подтвердить эту гипотезу экспериментально, исследователь Рэндал Дан из Университета Чикаго ввел этот ген мыши в эмбрион ската, рыбы, родственной акулам. В результате у эмбриона ската кости основания плавника стали формироваться… наподобие пальцев млекопитающих6 .
Общий предок мухи и слона
С начала 1980-х годов были обнаружены многие регулирующие гены, в частности, «гены-начальники», «отдающие приказ» на формирование глаза (ген Pax-6) и сердца (ген Tinman). В этот момент исследователей ждал шок. Выяснилось, что «геныначальники» практически совпадают у двух главных эволюционных линий животных — линии, ведущей к насекомым, и линии, ведущей к позвоночным животным и человеку. Хотя «гены-рабочие», кодирующие детали форм глаза или сердца, различны. До этого считалось, что в анатомии мухи и слона нет вообще ничего общего и «приказ» отдают разные гены.
После эксперимента с подсадкой гена мыши мухе Вальтер Геринг пришел к выводу, что главная генетическая программа построения глаза сохранилась в геноме животных еще со времен общего предка позвоночных и членистоногих — более 600 миллионов лет назад. Раньше считалось, что по большому счету эволюция животных началась только в кембрийском периоде (542 миллиона лет назад), а до этого жили только животные типа медуз и простые существа, у которых не было ни глаз, ни сосудистой системы. Кембрийским периодом датируется большое количество ископаемых остатков как предков позвоночных, так и предков членистоногих. Окаменелости прапредка двух ветвей эволюции еще не найдены, но эводево предсказывает его существование.
Надежда на свет
В последние годы эво-дево переживает волну внимания не только биологов, но и широкой публики. В отличие от не совсем понятной людям нанотехнологии у эво-дево есть яркие достижения в виде лабораторных монстров, информации о далеком прошлом жизни на Земле и очевидных приложений в области медицины, пусть даже и в неопределенном будущем. Научно-популярные книги про эво-дево стали бестселлерами, о ней уже пишут в учебниках биологии для американских колледжей. Но главное, эта магия XXI века обещает помощь страдающим людям, — считает Вальтер Геринг, открыватель «глазного» гена Pax-6. Оказывается, Pax-6 (и связанный с ним ген Notch) не только «включает» формирование глаза у эмбриона, но и участвует в восстановлении тканей глаза при повреждении. В пожилом возрасте этот ген часто выключается, что приводит к разрушению тканей. Если научиться включать Pax-6, то миллионы людей смогут избежать слепоты в старости. Или — рак. Раковые опухоли возникают не просто так: они начинаются с поломки регулирующих генов, что приводит к неконтролируемому делению клетокмутантов. Ученые надеются, что эво-дево сможет понять, как «выключить» этот пагубный процесс.
_____________
1 EVO-DEVO — evolutionary developmental biology или эволюционная биология развития.
2 GPS — global positioning system, спутниковая навигационная система.
3 Тритоны — хвостатые земноводные.
4 За это и другие открытия Ханс Шпеманн получил в 1935 году Нобелевскую премию.
5 ZPA — zone of polarizing activity, зона поляризационной активности.
6 Рэндал Дан работал в лаборатории Нила Шубина, одного из палеонтологов, обнаруживших в Арктике остатки доисторической рыбы с пальцами, жившей 375 миллионов лет назад.
