Когда мои дети были совсем маленькими и проводили время на пляже Кейп-Кода, они часто находили в песке крохотных животных, по форме напоминающих креветок. Подталкивая их и наблюдая за реакцией, дети прозвали их «прыгунами» (jumpies). Эти существа, которых вообще то называют бокоплавами, или песчаными блохами, имеют светлоокрашенное тело длиной около сантиметра и обычно живут в прибрежном песке. Если их подтолкнуть, они сжимаются и выпрыгивают вверх на несколько десятков сантиметров. Эта известная всем пляжная разновидность – лишь один из восьми тысяч видов [уже свыше десяти тысяч, вообще-то! – Прим. Батрах.]. Все они обладают удивительной способностью перемещаться самыми разными способами: они плавают, роют, подпрыгивают. Для этого у них есть все необходимое, как в швейцарском армейском ноже: большие ноги, маленькие ноги, ноги, повернутые вперед, и ноги, повернутые назад. Их название – амфиподы – имеет греческое происхождение и указывает на наличие ног, повернутых вперед и назад: amphi означает «двоякий», pod – «нога».

Организовав собственную лабораторию в Чикаго в 1995 году, биолог Нипам Патель пытался найти идеальное животное для изучения функции генов в построении тела. Поскольку амфиподы имеют множество разнообразных ног, он счел их подходящим объектом. Несколько лет он провел за исследованием немецких монографий XIX века в поисках лучшего вида амфипод для лабораторной работы. XIX век прославился качеством анатомических иллюстраций и описаний – целые отделы библиотечных комнат посвящены описаниям различных групп животных. Вооружившись знаниями, почерпнутыми из текстов и литографий, Патель разработал план, который превосходным образом совмещался с его давнишним хобби.

Посещение дома Пателя в Чикаго подразумевало осмотр гигантского аквариума с соленой водой, установленного посреди гостиной. Патель был страстным любителем аквариумных животных, и опыт налаживания системы фильтрации для собственного аквариума подсказал ему одну идею. Очень трудно поддерживать систему в чистоте, особенно избавляться от мелких беспозвоночных животных, собирающихся и размножающихся на фильтре. Патель ничего не мог с этим поделать, но заметил, что в глубине ила живут мелкие беспозвоночные. По-видимому, это убежище привлекало их тем, что на фильтре скапливались частицы пищи.

Так у Пателя родилась идея. Если этим мелким существам нравится фильтрационная система его домашнего аквариума, представьте себе, какое разнообразие существ можно найти в иле из гигантских бассейнов в аквариуме Шедда в Чикаго. В бассейнах жили акулы, скаты, более пятидесяти видов крупных рыб, а время от времени туда даже спускался экскурсовод с аквалангом. Патель отправил в аквариум студента с ведром, чтобы проверить, что можно найти в фильтрационной системе. Он рассчитывал, что в этой грязи скрываются живучие маленькие существа, которых можно использовать в лаборатории.

Фильтры аквариума Шедда оказались раем для мелких беспозвоночных. Студент Пателя целыми днями скоблил фильтры и разглядывал под микроскопом поселившихся там существ. Одно из них, бокоплав под названием Parhyale, казалось наиболее подходящим объектом для исследований. Это мелкое существо быстро размножается и быстро достигает взрослого возраста. Кроме того, оно имеет множество разных придатков – словом, могло стать идеальным экспериментальным животным. Патель начал размножать Parhyale в лаборатории и ставить на них эксперименты. Томас Морган использовал мух, чтобы понять механизмы наследования; Нипам Патель решил использовать амфипод, чтобы выяснить, как на основании генов формируются тела.

Вскоре после извлечения Parhyale из чикагского аквариума Патель перебрался в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы начать программу исследований, посвященных изучению этих существ. Беркли, Патель и Parhyale оказались удачным сочетанием, поскольку в Беркли работала Дженнифер Даудна – одна из тех, кто открыл новый способ редактирования генома, названный CRISPR-Cas 1. С помощью этой технологии исследователи могут прицельно воздействовать на конкретные участки генома, используя два типа инструментов – молекулярный «скальпель» для разрезания ДНК и зонд, доставляющий «скальпель» в нужное место. В 2013 году Даудна и ее коллеги из разных стран мира показали, что метод позволяет с высокой точностью разрезать и редактировать ДНК организмов разных видов. «Скальпель» CRISPR можно использовать для извлечения генов из генома. Изучая развитие эмбрионов, ученые могут видеть, какой эффект производит удаление конкретных генов. Еще более сложные эксперименты позволяют осуществлять замену или исправление последовательности генов.

Мощь этой технологии стала источником новой идеи Пателя: а что, если отредактировать гены Parhyale таким образом, чтобы они активировались в других сегментах тела? Удастся ли таким путем переместить конечности и другие части тела?

У Parhyale конечности расположены вдоль всего тела, и каждый сегмент содержит специфические конечности. На голове располагаются антенны, а затем следуют сегменты с элементами ротового аппарата. (Мы называем челюсти и мандибулы беспозвоночных придатками или конечностями, поскольку, как конечности, они отходят в стороны от сегментов тела.) Грудной сегмент снабжен более крупными конечностями: одни повернуты вперед, другие назад. От брюшного сегмента отходят мелкие конечности: более густые и длинные в передней части и более короткие в задней.

В процессе развития оси тела Parhyale активируются шесть гомеозисных генов. Как и у мухи, сегменты тела можно различить по типу развивающихся в них конечностей, а также по активности разных генов в процессе развития. А что, если изменить характер активности генов в сегментах – скажем, активировать в грудном сегменте гены, которые в норме активны в брюшном сегменте? Изменится ли тип конечностей, отходящих от этого сегмента? Патель принялся по одному отключать гены, используя технологию редактирования, разработанную его коллегами в Беркли.

Изящество этих экспериментов проявляется в деталях. Три гена, названные Ubx, abd-A и Abd-B, в процессе эмбрионального развития активны в задней части туловища Parhyale. Их активность затрагивает четыре отдела тела: в ближайшем к голове включен только Ubx, в следующем функционируют Ubx и abd-A, в третьем активны abd-A и Abd-B, а в последнем активен только Abd-B. Как будто каждый из этих четырех участков тела имеет генетический адрес, определяющийся тем, какие именно гены в нем активны. И выясняется, что картина активности генов соответствует типу образующихся конечностей. Там, где активен только Ubx, формируются конечности, обращенные назад, сочетание активности Ubx/abd-A приводит к формированию конечностей, обращенных вперед, активность abd-A/Abd-B отвечает за образование более длинных мелких отростков, а активность Abd-B – за образование более коротких отростков.

План Пателя заключался в том, чтобы убрать гены и изменить «адрес» разных сегментов тела. Что произойдет, если изменить картину активности генов в каждом сегменте?

Когда Патель удалил ген abd-A, те части тела, которые раньше имели «адрес» Ubx/abd-A, теперь сохранили только «адрес» Ubx. Часть, ранее прописанная по «адресу» abd-A/Abd-B, теперь сменила «адрес» на Abd-B. В результате смены «адресов» на свет появился удивительный экспериментальный монстр – существо с повернутыми назад конечностями в тех местах, где обычно расположены конечности, повернутые вперед, и с короткими отростками вместо длинных. Изменение картины активности генов в сегментах тела в процессе эмбрионального развития привело к изменению типа конечностей, образующихся в соответствующих сегментах. [В научной статье об этих экспериментах планы тела ракообразных забавно проиллюстрированы швейцарскими ножами – эта метафора использована и в начале отрывка. – Прим. Батрах.]

Патель обнаружил, что может менять генетический «адрес» и по своему желанию перемещать придатки туловища. Совершая эти действия, он не просто создавал монстров – он имитировал возникновение разнообразных форм жизни в природе.

Сравним, к примеру, амфипод с их родственниками изоподами (равноногими). Большинство из нас знакомы с изоподами в лице их самого распространенного представителя – мокрицы. Как следует из названия (от греческого «равные ноги»), у равноногих все ноги повернуты вперед, в отличие от амфипод, у которых некоторые ноги повернуты вперед, а некоторые назад. Когда Патель удалил у амфиподы ген abd-A, он создал животное, которое выглядит как изопода: все его конечности повернуты вперед. Он скопировал природу: в нормальном развитии равноногих ген abd-A не участвует.

Изменения активности этих генов объясняют различия между столь разными существами, как лобстеры и многоножки. В том участке тела лобстера, где развиваются большие клешни, активируются иные сочетания генов, нежели в участке, где развиваются ноги. А у таких существ, как многоножки, у которых во всех сегментах формируются одинаковые ноги, в каждом сегменте активируются одни и те же гены. У насекомых, червей и мух [а мухи разве не насекомые, а, Шубин?! – Прим. Батрах.] эти гены формируют дорожную карту построения тела.

Но с Parhyale, лобстеров и мух история только начинается. Лягушки, мыши и люди тоже имеют версии тех же самых генов. У людей и других млекопитающих они называются по другому. Вместо abd-A, Abd-B и прочих у нас есть гены Hox  с соответствующими номерами: Hox1, Hox2 и т. д. Кроме того, если мухи, черви и насекомые [а насекомые разве не мухи, а, Шубин?! – Прим. Батрах.] имеют только одну последовательность таких генов на одной хромосоме, то у нас их четыре на четырех разных хромосомах.

Эти гены активны вдоль оси тела мыши и человека, причем, как и в случае дрозофил и Parhyale, они активны в разных сегментах тела. У нас нет крыльев или повернутых в разные стороны ног. У нас есть позвонки и ребра. Но, несмотря на эти различия, возникает вопрос: происходит ли наше развитие по тому же механизму, как развитие Parhyale и мух? Можно ли получить мутантные формы с разным количеством ребер и позвонков, если изменить активность генов в процессе эмбрионального развития?

Строение позвоночника млекопитающих описывается формулой, которая редко меняется: семь шейных позвонков, потом двенадцать грудных, каждый со своим ребром, а затем пять поясничных позвонков. Далее следуют крестец и хвост, который у человека сохранился в виде набора мелких сросшихся позвонков, именуемых копчиком.

Точно так же, как у дрозофил и Parhyale, у наших сегментов тела разные «адреса» генетической активности. Например, одна комбинация генов типа генов Bithorax отвечает за построение шейного отдела, другая – за формирование грудного отдела. Аналогичным образом, в пограничных участках между грудным и поясничным отделом и между поясничным и крестцовым отделом действуют разные наборы генов.

Что происходит при замене генетического «адреса» отдела тела другим? Получить мутантную мышь гораздо сложнее, чем мутантную муху или Parhyale. На это уходят годы, главным образом потому, что мыши размножаются гораздо медленнее и нужно мутировать больше генов. Но результаты стоят ожидания.

Рассмотрим случай с позвонками поясничного и крестцового отдела. В отделе, из которого образуются поясничные позвонки, активизирован ген Hox10. Далее следует крестцовый отдел, имеющий двойной генетический «адрес»: Hox10 и Hox11. У мутанта с удаленным геном Hox11 отдел, где в норме формируются крестцовые позвонки, получает генетический «адрес» поясничного отдела. И что происходит с отделами тела? Рождается мышь, у которой все позвонки крестца превращены в позвонки поясничного отдела.

Дальнейшие эксперименты показали, что такую же ситуацию можно воспроизвести с другими генами в других отделах тела. Грудные позвонки соединены с ребрами. Удаляя соответствующие гены, всей нижней части позвоночника можно дать «адрес» грудного отдела. Результат – мышь с ребрами до самого хвоста. Как и в работе Пателя с Parhyale, модификация генов изменяет сегменты тела и образующиеся в них органы.

Можно называть продукты подобных экспериментов монстрами, но это мешает понять, насколько изумительно они демонстрируют механизмы возникновения разнообразных форм жизни. Биологические наблюдения XIX века, открытия, сделанные в «мушиной комнате» [так прозвали лабораторию Томаса Моргана в Колумбийском университете, где он работал с 1904 по 1928 год. – Прим. Батрах.], и результаты современной геномной биологии вкупе раскрывают внутреннюю красоту построения тел животных. Генетическое строение, определяющее формирование тел мухи, мыши и человека, показывает, что все мы – вариации на общую тему. Общий набор инструментов позволил развиться многим веточкам на едином дереве жизни.

---

Вас также могут заинтересовать статьи:
Гомеозис от лукавого: уродики-мутанты и эволюция животного тела
Дженнифер Даудна об этике редактирования человеческих геномов
В Марианской впадине открыт бокоплав Пластикус