Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи

Эмбриологу может казаться естественным подход к проблеме генеза «от начала к концу»: от самых ранних зародышевых событий до построения телесного плана полноценного организма. Но мы увидим, что в силу важных причин постижение развития организма шло как фильм в обратной прокрутке. Механизм определения генами макроскопических анатомических черт – конечностей, органов, других структур – расшифровали первым. Затем раскрыли механизм определения их пространственного положения: где какие структуры должны быть – спереди или сзади, слева или справа, сверху или снизу. А вот самые ранние события эмбрионального развития – формирование осей тела, передней и задней, спинной и брюшной, левой и правой его частей – изучили последними.

Такой обратный порядок открытий легко объяснить. Мутации в генах макроскопических структур вроде ног и крыльев обнаружить проще всего, и потому их описали первыми. Мутации в генах, определяющих базовые элементы плана тела, сложнее идентифицировать, поскольку такие нарушения резко снижают выживаемость. И наконец, почти невозможно найти живых особей с мутациями, затрагивающими самые ранние стадии эмбриогенеза, потому что зародыши с хвостом вместо головы мгновенно погибают.

В 1950-х Эд Льюис, генетик, работавший с дрозофилами в Калтехе, начал реконструировать формирование мушиного эмбриона. Подобно историку архитектуры, страстно увлеченному одним-единственным зданием, Льюис почти 20 лет изучал «строительство» дрозофилы. Бобовидный, размером меньше песчинки, мушиный эмбрион зарождался в бурном водовороте событий. Примерно через 10 часов после оплодотворения яйцеклетки эмбрион разделялся на три крупных сегмента: голову, грудь и брюшко, – а дальше каждый сегмент делился на части поменьше. Льюис выяснил, что каждый из этих зародышевых сегментов дает начало определенному сегменту взрослой мухи. Один из них становится вторым грудным сегментом и отращивает два крыла. Из трех сегментов вырастают шесть мушиных лапок. На других развиваются щетинки или антенны. Как и у человека, у мух общий план взрослого тела свернут в эмбрионе. Созревание мухи – это последовательное разворачивание сегментов, напоминающее растягивание живого аккордеона.

Но откуда эмбрион мушки «знает», что лапка должна расти из второго грудного сегмента, а антенна – из головы (но не наоборот)? Льюис изучал мутантов[577] с нарушенной организацией сегментов[578] и обнаружил у них специфическую черту: общий план макроскопических структур зачастую оставался ненарушенным, и лишь какой-то сегмент менял свою идентичность или расположение в теле мухи. Например, у одного мутанта развился лишний второй грудной сегмент, абсолютно нормальный с виду и почти рабочий, и в итоге получилась особь с четырьмя крыльями (одна пара крыльев – на нормальном сегменте, вторая – на дополнительном). Казалось, что гену «построить грудь» ошибочно скомандовали активироваться не в том месте, и он бодро подчинился. У другого мутанта две лапки выросли вместо антенн, будто ген «отрастить лапку» по ошибке активировался в голове.

Льюис заключил, что формирование органов и прочих структур контролируется мастер-регуляторами, главными исполнительными генами, которые работают как самостоятельные единицы либо программы. В ходе нормального развития мушки (или любого другого организма) эти регуляторы вступают в действие в нужном месте и в нужное время, определяя идентичность, назначение сегментов и органов. Функционально они напоминают микропроцессорные электронные схемы и занимаются тем, что своими продуктами включают или выключают другие гены. Мутации в мастер-регуляторах выражаются в неправильном устройстве или необычном расположении органов и сегментов. Подобно растерянным слугам Червонной королевы из «Алисы в Стране чудес», гены суетливо выполняют распоряжения – «построить грудь», «отрастить крыло», – но только не там или не тогда. Когда регулятор кричит: «Антенну мушке!» – запускается программа формирования антенны, и антенна появляется – правда, не важно, что из груди или из брюшка.

Но кто же командует командирами? Открытие Льюисом мастер-регуляторов, контролирующих развитие разных структур, объяснило события поздних стадий эмбриогенеза, но породило, кажется, бесконечную рекурсивную загадку. Если эмбрион строится сегмент за сегментом, орган за органом, идентичностью которых распоряжается мастер-регулятор, то как для начала каждый сегмент «понимает» свою идентичность? Откуда, например, мастер-ген выращивания крыльев знает, что работать надо именно во втором грудном сегменте, а не в третьем там или первом? Если генетические модули настолько автономны, то почему – переворачивая загадку Моргана – ноги не растут у мух из головы, а у людей из носа не торчат большие пальцы?

Чтобы ответить на эти вопросы, ход часов эмбриогенеза нужно было запустить вспять. В 1979-м, через год после публикации статьи Льюиса о генах, управляющих развитием лапок и крыльев, два гейдельбергских эмбриолога – Христиана Нюслайн-Фольхард и Эрик Вишаус – приступили к получению мушиных мутантов, способных пролить свет на регуляцию самых ранних этапов формирования зародыша.

Их мутантные дрозофилы оказались еще ужаснее, чем мушки Льюиса. У некоторых исчезали целые эмбриональные сегменты или же радикально укорачивался грудной либо брюшной отдел – как если бы человеческий плод появлялся на свет без туловища или без нижней части тела. Нюслайн-Фольхард и Вишаус предположили, что гены, поврежденные у таких мутантов, определяют базовый архитектурный план эмбриона. Это картографы эмбрионального мира: они делят зародыш на основные сегменты и активируют мастер-регуляторы Льюиса, чтобы запустить построение органов и структур в некоторых частях тела (и только в них!): антенны на голове, крылья на среднем грудном сегменте, и так далее. Нюслайн-Фольхард и Вишаус назвали такие детерминанты генами сегментации[579].

Но и у этих генов должны были быть повелители. Как второй сегмент мушиной груди может знать, что он именно грудной, а не брюшной? И как голова понимает, что она не хвост? Каждому сегменту задается положение на оси, которая тянется от головы до хвоста. Голова работает подобно внутренней системе позиционирования, и положение относительно головы и хвоста дает каждому сегменту уникальный адрес в эмбрионе. Но как зародыш выстраивает свою основополагающую, первичную асимметрию, то есть противопоставление «головного» и «хвостового»?

Во второй половине 1980-х Нюслайн-Фольхард со своими студентами начала анализировать поколение мутантных мух, в котором эмбрионы вообще утрачивали телесную асимметрию. Развитие этих зародышей – часто безголовых или бесхвостых – останавливалось задолго до сегментации и тем более формирования органов. У некоторых головной конец деформировался, у других был совершенно неотличим от хвостового: получались странные «зеркальные» эмбрионы, самый примечательный из которых получил название bicoid (буквально – «двухвостый»). У этих мутантов явно не хватало какого-то химического фактора, определяющего различия переднего и заднего концов тела. В 1986-м студенты Нюслайн-Фольхард провели поразительный эксперимент. Они научились миниатюрной иглой извлекать капельку жидкости из головы нормального эмбриона и переносить ее в безголового мутанта. Удивительно, но клеточная хирургия работала: этой капельки хватало, чтобы заставить эмбрион выращивать голову на месте хвоста.

В серии новаторских работ,