ИСТОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

 

 

Эксперименты с ДНК. ЗПА - зона поляризующей активности

 

Ручные гены

 

В июле 2004 года, пока мы с моими коллегами добывали в Арктике первые образцы тиктаалика, Рэнди Дан, молодой сотрудник моей лаборатории, трудился в поте лица в Чикаго над генетическими экспериментами с зародышами акул и скатов. На морских пляжах нередко можно встретить небольшие черные яйцевые коконы, которые называют «кошельками русалок».

 

Внутри такого «кошелька» заключено содержащее желток яйцо, в котором развивается эмбрион (зародыш) ската. За годы работы Рэнди провел многие сотни часов, экспериментируя с эмбрионами, заключенными в этих яйцевых коконах, нередко продолжая работу далеко за полночь. В то решающее лето 2004 года Рэнди занимался тем, что с помощью шприца вводил в исследуемые яйца химический аналог витамина А. После этого он оставлял зародыши развиваться в течение нескольких месяцев, пока они не вылуплялись из яйца.

 

Такие опыты могут показаться странным способом проводить большую часть года, тем более для молодого ученого, планирующего успешную научную карьеру. Почему акулы и скаты? Почему витамин А?

 

Чтобы объяснить, в чем смысл этих экспериментов, надо вернуться на шаг назад и посмотреть, на какие вопросы они могут ответить. В этой главе мы наконец добрались до рецепта, записанного в нашей ДНК, по которому из единственной яйцеклетки развивается все наше тело. В момент оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом у нее нет, например, маленьких рук, из которых развились бы руки эмбриона. Руки будут построены на основании информации, содержащейся в яйцеклетке. Здесь мы подходим к очень глубокой проблеме. Одно дело — сравнивать скелет наших рук со скелетом рыбьих плавников. Но что может дать нам сравнение генетического рецепта, по которому формируются наши руки, с рецептом, по которому формируются рыбьи плавники? Чтобы вместе с Рэнди найти ответ на этот вопрос, надо познакомиться с чередой открытий, которые позволили увидеть общие корни наших рук, акульих плавников и даже мушиных крылышек.

 

Как мы уже убедились, прорубить широкое окно в наше далекое прошлое позволяет открытие существ, которые часто демонстрируют упрощенные варианты наших тел внутри своих. Мы не можем ставить эксперименты с давно вымершими животными. А эксперименты — великая вещь, потому что они позволяют манипулировать условиями и смотреть, как это скажется на результатах. По этой причине моя лаборатория разделена на два подразделения: половина занимается ископаемыми, а другая половина — зародышами и ДНК. Вот такое у нашей лаборатории раздвоение личности. Закрытое на замок хранилище, где лежат ископаемые остатки тиктааликов, соседствует с морозильной установкой, где хранятся наши драгоценные образцы ДНК.

 

Эксперименты с ДНК обладают огромным потенциалом для поиска в себе рыбы. Что если поставить такой эксперимент: обрабатывать рыбий зародыш разными химическими веществами и добиться, чтобы его плавник стал отчасти похож на нашу руку? Или эксперимент, который показал бы, что гены, отвечающие за формирование рыбьих плавников, по сути соответствуют генам, отвечающим за формирование наших рук?

 

Начнем с очевидной загадки. Наше тело состоит из клеток сотен разных типов. Разнообразие клеток определяет строение и функции наших тканей и органов. Клетки, из которых состоят наши кости, нервы, кишечник и другие органы, выглядят и ведут себя совершенно по-разному. Несмотря на эти различия, у всех клеток нашего тела есть одно фундаментальное общее свойство: в них содержится совершенно одинаковая ДНК. Если в ДНК записана информация о том, как должны развиваться наше тело, его ткани и органы, почему же в таких разных клетках, как те, из которых состоят мышцы, нервы и кости, содержится одинаковая ДНК?

 

Ответ на этот вопрос состоит в том, что в разных клетках включены и работают разные фрагменты ДНК (гены). Клетка кожи отличается от нейрона (нервной клетки) тем, что в этих клетках работают разные гены. Когда ген включен, по записанному в нем рецепту синтезируется белок, который может определять облик и поведение клетки. Поэтому, чтобы понять, в чем разница между клеткой, входящей в состав глаза, и клеткой, входящей в состав скелета руки, нужно разобраться в тех генетических переключателях, которые управляют активностью генов во всех клетках и тканях.

 

Вот что особенно важно: эти генетические переключатели и позволяют формировать наше тело в ходе развития. В момент зачатия наш организм возникает в виде единственной клетки, содержащей ДНК с полным рецептом для сборки будущего тела. План, по которому строится все наше тело, реализуется посредством инструкций, которые все записаны внутри этой единственной микроскопической клетки. Чтобы пройти путь от простой яйцеклетки до всего человека, состоящего из триллионов специализированных клеток, выстроенных в правильном порядке, на строго определенных этапах развития должны включаться и выключаться целые батареи генов. Как симфония, которая получается из того, что множество отдельных инструментов исполняет разные ноты, человеческое тело формируется за счет работы множества генов, включаемых и выключаемых внутри каждой клетки в ходе нашего развития.

 

Возможность работать с генами — неоценимый подарок для тех, кто изучает строение и работу живых организмов. Благодаря этой возможности мы можем сравнивать действие разных генов и выяснять, какие изменения происходят под их действием при формировании новых органов в процессе развития. Возьмем, к примеру, конечности. Сравнивая набор генов, работающих в клетках формирующегося рыбьего плавника, с набором генов, работающих в клетках развивающейся человеческой руки, мы можем установить, какие различия есть между плавником и рукой на генетическом уровне.

 

Гены — это отрезки ДНК, содержащейся в каждой клетке нашего тела.

 

Такое сравнение позволяет нам выявить возможных виновников — генетические переключатели, изменение которых могло привести к превращению плавников в конечности наземного позвоночного. После этого мы можем изучить работу этих генов в организме эмбриона и попытаться выяснить, как именно они изменились. Можно ставить даже такие эксперименты — манипулировать работой генов и смотреть, как меняется организм эмбриона под действием определенных условий или веществ.

 

Чтобы разобраться в том, в каких генах записан рецепт формирования наших рук и ног, мы должны действовать подобно криминалистам из телесериала «C.S.I.: Место преступления» — начинать с тела и докапываться до сути. Мы начнем с того, что рассмотрим строение наших конечностей, а затем перейдем к тканям, клеткам и генам, которые это строение определяют.

 

Создавая руки

 

Наши конечности трехмерны — у них есть верх и низ, сторона мизинца и сторона большого пальца, основание и конец. Кости на конце конечности — в пальцах — отличаются от костей внутри плеча или таза. Сторона мизинца и сторона большого пальца тоже отличаются друг от друга. Большой палец устроен иначе, чем мизинец. Окончательная цель наших исследований развития конечности, их Святой Грааль, состоит в том, чтобы разобраться, какие гены определяют различия между элементами ее скелета и что управляет ее развитием во всех трех измерениях. Какие отрезки ДНК делают большой палец не таким, как мизинец? Что делает наши пальцы не такими, как кости плеча и предплечья? Если разобраться в генах, которые всем этим управляют, мы проникнем в тайну рецепта, по которому формируется наше тело.

 

Все генетические переключатели, определяющие формирование пальцев, запястья, костей плеча и предплечья, срабатывают в период с третьей по восьмую неделю после зачатия. В самом начале своего развития человеческие конечности представляют собой крошечные зачатки в виде выростов на поверхности тела эмбриона. Две недели эти выросты увеличиваются в размерах, пока на конце их не образуется уплощенное расширение. Внутри этого расширения располагаются миллионы клеток, из которых в конечном итоге разовьются скелет, нервы и мышцы, которыми человек будет пользоваться всю оставшуюся жизнь.

 

Для изучения процессов формирования всех этих структур нужно исследовать строение эмбрионов и иногда вмешиваться в процесс их развития, чтобы выяснять, что происходит, когда развитие идет как-то неправильно. Кроме того, нужно исследовать различных мутантов, их внутреннее строение и их гены, иногда на материале специально выведенных мутантных пород.

 

Конечно, нельзя изучать такими методами людей. Главная задача ученых, которые первыми начинали подобные исследования, состояла в том, чтобы найти таких животных, исследование которых откроет нам тайну нашего собственного развития. Пионеры экспериментальной эмбриологии, занявшиеся развитием конечностей в тридцатые и сороковые годы прошлого века, столкнулись с несколькими проблемами. Им нужно было выбрать организм, у которого конечности зародыша были бы доступны для изучения и экспериментов. Этот зародыш должен быть сравнительно крупным, потому что иначе с ним нельзя работать хирургическими методами. Также немаловажно, чтобы этот зародыш развивался в условиях, защищающих его от воздействия сотрясений и других внешних факторов. Кроме того, и это совершенно необходимо, зародыши должны быть доступны круглый год и в большом количестве. Вполне закономерно, что ученые остановили свой выбор на объекте, который мы покупаем в магазине, — на курином яйце.

 

В пятидесятые и шестидесятые годы некоторые биологи, в том числе Эдгар Цвиллинг и Джон Сондерс, провели ряд остроумных экспериментов на куриных яйцах, чтобы разобраться в том, как формируется структура скелета. Куриные эмбрионы в то время буквально разбирали и собирали по кусочкам. Их оперировали, перемещая на другие места фрагменты разных тканей, чтобы увидеть, как это скажется на развитии эмбриона. Такой подход предполагал использование тончайших методов микрохирургии и манипуляций с кусочками тканей толщиной не больше миллиметра. Пользуясь этими методами, Цвиллинг и Сондерс выявили некоторые ключевые механизмы, лежащие в основе формирования таких разных конечностей, как птичьи крылья, ласты китов и человеческие руки.

 

Они открыли два небольших участка ткани, которые управляют всем развитием скелетных структур внутри конечности.

 

Более того, крошечная полоска ткани на самом конце зачатка по сути управляет вообще всем  процессом развития конечности. Стоит удалить эту полоску, и развитие останавливается. Если удалить ее на раннем этапе, у зародыша разовьется только плечо или его часть. Если удалить немного позже, разовьется плечо и предплечье. Если удалить еще позже, конечность сформируется почти полностью, но пальцы будут короткими и деформированными.

 

Еще один эксперимент, впервые поставленный Мэри Гасселинг в лаборатории Джона Сондерса, открыл новое перспективное направление исследований. Возьмем небольшой участок ткани с той стороны зачатка конечности, где должна сформироваться сторона мизинца, на раннем этапе развития и пересадим этот участок на противоположную сторону зачатка, чуть пониже того места, где должен сформироваться первый палец. Дадим зародышу цыпленка развиваться дальше и сформировать крыло — и получим результат, который когда-то почти для всех оказался откровением. Крыло цыпленка развилось целиком, но у него был полностью удвоенный набор пальцев.  Кроме того, что еще примечательнее, дополнительный набор пальцев был зеркальным отражением нормального набора. Очевидно, что-то внутри этого участка ткани, какое-то вещество или ген, направляло процесс формирования всех пальцев конечности. Это открытие вызвало настоящую лавину новых экспериментов, которые позволили узнать, что точно такого же эффекта можно добиться и множеством других способов. Например, можно взять куриный эмбрион и вколоть немного витамина А в зачаток его конечности или просто ввести витамин А в яйцо и дать цыпленку развиваться дальше. Если ввести витамин А в определенном количестве и на определенном этапе развития, можно получить такие же зеркально удвоенные конечности, как в опытах Гасселинг, Сондерса и Цвиллинга с пересадкой участка ткани. Этот участок назвали зоной поляризующей активности (ЗПА). По сути ЗПА и служит тем фактором, который делает сторону мизинца отличной от стороны большого пальца. Разумеется, у цыпленка нет ни настоящего мизинца, ни настоящего большого пальца, потому что пальцы в птичьих крыльях редуцированы. Мы пользуемся этими терминами условно, для обозначения тех сторон конечности, где у наделенных пятью пальцами позвоночных образуются пятый и первый пальцы соответственно.

 

Эти открытия вызвали немалый интерес: получалось, что ЗПА каким-то образом управляла образованием пальцев. Но как? Некоторые ученые считали, что клетки ЗПА производят вещество, которое затем распространяется по зачатку конечности, указывая клеткам, какие пальцы им формировать. Главная идея была в том, что в основе всего этого явления могло лежать действие какого-то неизвестного вещества. В участках, близких к ЗПА, где концентрация этого вещества высока, клетки реагируют формированием мизинца. На противоположной стороне развивающейся руки, далеко от ЗПА, это вещество разбавлено, и клетки реагируют на это формированием большого пальца. Клетки, расположенные посередине, тоже реагируют соответственно концентрации этого вещества, формируя указательный, средний и безымянный пальцы.

 

Идею зависимости формирования пальцев от концентрации некоторого вещества вполне можно было проверить. В 1979 году Деннис Саммербелл вживил крошечный фрагмент фольги в зачаток конечности цыпленка между участком ЗПА и остальной конечностью. Замысел был в том, чтобы предотвратить просачивание каких-либо веществ от ЗПА на другую сторону конечности. Затем Саммербелл пронаблюдал, что происходило с клетками по обе стороны от этой преграды. Клетки на стороне ЗПА формировали пальцы. Клетки на другой стороне не всегда формировали пальцы, а если формировали, то недоразвитые и деформированные. Вывод был очевиден: некое вещество, выделяемое ЗПА, действительно управляет формированием пальцев и определяет их облик. Чтобы выделить это вещество, исследователям пришлось обратиться к ДНК.

 

Рецепт на ДНК

 

Эту работу выполняло уже новое поколение ученых. До девяностых годов прошлого века, когда стали доступны новые молекулярные технологии, ученым не удавалось выяснить, какие гены управляют действием ЗПА.

 

Важный прорыв был сделан в 1993 году, когда охотой на эти гены занялись в лаборатории Клиффа Тейбина в Гарварде. Целью этой охоты было выяснить, какие молекулярные механизмы дают ЗПА способность делать мизинец непохожим на большой палец. К тому времени, когда группа Тейбина начала работу в начале девяностых, ряд экспериментов вроде тех, что я описал выше, привел ученых к убеждению, что в основе всего этого явления лежало какое-то вещество. Великолепная теория, если не считать того, что никто не знал, что это за вещество. Люди предлагали на эту роль то одно соединение, то другое и всякий раз убеждались, что эти вещества не оказывают искомого действия. Наконец сотрудники лаборатории Тейбина применили другой подход, имеющий непосредственное отношение к предмету нашей книги. Они решили обратиться за ответом к мухам.

 

Генетические эксперименты восьмидесятых годов позволили обнаружить поразительный набор генов, под действием которых сложное тело будущей мухи лепится из единственной яйцеклетки. Тело плодовой мушки дрозофилы имеет передний и задний концы. На переднем находится голова, на заднем — брюшко, посередине — крылья. Целые батареи генов включаются и выключаются по ходу развития личинки, и последовательность их включения и выключения позволяет оформляться различным частям тела будущей мухи.

 

Тейбин тогда еще не знал об этом, но в двух других лабораториях — Энди Макмэхона и Фила Ингама — тоже независимо друг от друга пришли к той же самой идее. Результатом этого совпадения стало очень успешное сотрудничество трех разных лабораторий. Внимание Тейбина, Макмэхона и Ингама привлек один из мушиных генов. Они заметили, что работа этого гена делает один конец сегмента тела мухи отличным от другого. Генетики, работающие с дрозофилами, назвали этот ген «hedgehog»  (то есть «ежик»). Разве не напоминает работа «ежика» в ходе формирования тела мухи — делать один участок тела непохожим на другой — работу ЗПА, которая делает мизинец непохожим на большой палец? От сотрудников трех лабораторий не ускользнуло это сходство. И они взялись за дело, разыскивая ген hedgehog  в клетках таких животных, как куры, мыши и рыбы.

 

В этих лабораториях знали, как устроен ген hedgehog  у мух, и сравнивали его с генами курицы, чтобы найти похожий. Каждый ген обладает определенной последовательностью составляющих его элементов (нуклеотидов). Молекулярные методы позволили исследователям «просматривать» ДНК курицы в поисках такой же последовательности, как в гене hedgehog.  После долгих проб и ошибок им наконец удалось найти куриный аналог гена hedgehog.

 

Точно так же, как палеонтологи дают названия новым открытым видам, генетики дают названия новым генам. Генетики, занимавшиеся мухами-дрозофилами и открывшие ген hedgehog , назвали его так потому, что у мух, у которых в этом гене была мутация, на теле были щетинки, напоминающие колючки ежа. Тейбин, Макмэхон и Ингам назвали куриный аналог этого гена «Sonic hedgehog»  в честь ежика Соника — персонажа видеоигр, выпускаемых компанией Sega.

 

Настало время для самого интересного вопроса: что именно делает Sonic hedgehog  в конечностях? В лаборатории Тейбина к молекуле, присоединяющейся к этому гену, приделали пигмент, который позволял наблюдать, в каких клетках зачатка конечности этот ген работает. К немалому удивлению исследователей, они обнаружили, что этот ген задействован лишь в небольшом участке ткани, а именно в ЗПА!

 

Отсюда с очевидностью следовало, что нужно делать дальше. Ген Sonic hedgehog  работает точно там же, где работает сама ЗПА. Вспомним, что если обработать конечность ретиноевой кислотой (витамином А), то еще одна ЗПА вступает в действие на противоположном конце конечности. Нетрудно угадать, что будет, если обработать конечность ретиноевой кислотой и после этого посмотреть, где будет действовать Sonic hedgehog.  Как и следовало ожидать, после обработки ретиноевой кислотой этот ген активен на обеих сторонах конечности — мизинца и большого пальца, — точно так же, как и ЗПА.

 

Зная строение куриного гена Sonic hedgehog , другие исследователи занялись поиском этого гена у других живых существ, наделенных пальцами, от лягушек до людей. Оказалось, что у всех позвоночных с четырьмя конечностями есть Sonic hedgehog.  И у всех исследованных к настоящему времени животных этот ген активен в ткани ЗПА. Если Sonic hedgehog  не включается как следует в течение восьмой недели развития, у эмбриона или формируются лишние пальцы, или большой палец и мизинец оказываются похожи. В некоторых случаях, когда этот ген поврежден, формируется рука, похожая на широкое весло, аж с двенадцатью похожими пальцами.

 

Сегодня известно, что Sonic hedgehog  представляет собой один из десятков генов, работа которых позволяет формировать наши конечности от плеча или бедра и до кончиков пальцев за счет их последовательного включения и выключения в определенное время. Примечательно, что работы, проведенные на курицах, лягушках и мышах, дали одинаковые результаты. Записанный на ДНК рецепт формирования плеча, предплечья, запястья и пальцев по сути один и тот же у всех наземных позвоночных.

 

Как далеко в прошлое можем мы проследить историю гена Sonic hedgehog  и других фрагментов ДНК, которые управляют развитием наших конечностей? Работают ли те же гены при формировании рыбьих плавников? Или наши руки и ноги принципиально отличаются генетически от плавников рыб? Мы нашли черты рыбы в строении наших рук и ног. Но как насчет ДНК, управляющей их развитием?

 

Здесь и вступил в дело Рэнди Дан со своими «русалочьими кошельками».

 

 

К содержанию книги: Нил Шубин: "Внутренняя рыба. История человеческого тела с древнейших времен до наших дней"

 

Смотрите также:

 

строения тела человека    вертебраты - позвоночные    ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ ЧЕЛОВЕКА - зародыш

 

 доказательства эволюции - палеонтологические  Рост эмбрионов. Рост скелета

 

 Последние добавления:

 

Солнечный пруд - гелио энергетика  Крымское землетрясение 1927 года   Правоприменение  Экономическая история капитализма   Осьминоги   Чудеса природы