У таких разных организмов, как мухи и мыши, организация тела вдоль оси, идущей от головы к хвосту, регулируется вариантами одних и тех же генов. Если так или иначе вмешаться в работу Hox-генов, мы определенным предсказуемым образом вмешаемся и в план строения тела. Если получить муху, у которой не работает или отсутствует один из генов средних сегментов, то средние сегменты ее тела не разовьются или окажутся деформированы. Если получить мышь, у которой отсутствует один из средних Hox-генов, то у такой мыши будет видоизменено строение среднего участка позвоночника.
Hox-гены также определяют пропорции наших тел, то есть размеры различных участков головы, грудной клетки и спины. Эти гены участвуют в развитии отдельных органов, конечностей, гениталий и пищеварительного тракта. Изменения этих генов меняют строение наших тел.
Hox-гены у мухи-дрозофилы и у человека. Организацией тела в направлении «от головы к хвосту» управляют разные Hox-гены, У мух имеется один набор из восьми таких генов, каждый из которых представлен на схеме в виде маленького прямоугольника. У людей есть четыре набора таких генов. И у мух, и у людей порядок, в котором включаются эти гены, соответствует порядку их расположения в ДНК: гены, работающие в голове, находятся на одном конце молекулы ДНК, работающие в хвосте — на другом, а те, что управляют развитием органов, расположенных посередине, и на ДНК расположены посередине.
У разных видов имеется разное число Hox-генов. У мух и других насекомых их восемь, у мышей и других млекопитающих — тридцать девять. При этом все тридцать девять Hox-генов мыши представляют собой варианты Hox-генов мухи. Объясняется это тем, что многие из Hox-генов млекопитающих, по-видимому, возникли в результате удвоения Hox-генов из меньшего набора — вроде того, что имеется у насекомых. Несмотря на различия в числе этих генов, в процессе развития мыши они активируются во вполне определенном порядке, точно так же, как и в процессе развития мухи.
Можем ли мы зайти еще дальше, изучая наше генеалогическое древо, и найти аналогичные отрезки ДНК, задействованные в формировании еще более фундаментальных особенностей строения нашего тела? Как это ни удивительно, можем. И это позволит нам увидеть нашу связь с организмами намного более простыми, чем мухи.
ДНК и организатор
В то время, когда Шпеману была присуждена Нобелевская премия, вокруг организатора был большой ажиотаж. Ученые искали загадочное вещество, действие которого могло бы определять в процессе развития план строения всего тела. Но подобно тому, как приходят и уходят увлечения в популярной культуре (например, такими игрушками, как йо-йо или смеющаяся кукла «Веселый Элмо»), увлечения ученых тоже нередко оказываются преходящими. К семидесятым годам к организатору стали относиться во многом как к диковинке, любопытному эпизоду из истории эмбриологии. Причина такого охлаждения была в том, что никому не удавалось разобраться в механизме работы организатора.
Все изменилось после того, как в восьмидесятых годах были открыты Hох-гены. В начале девяностых, когда концепция организатора была еще по-прежнему совершенно не в моде, в лаборатории Эдди Де Робертиса в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе искали Hox-гены у лягушек по методике, сходной с той, что успешно использовали Левин и Макгиннис. Поиски были довольно масштабны и позволили выловить немало разных генов. Один из этих генов отличался весьма необычным характером работы. Он активировался в том самом участке организма эмбриона, где расположен организатор, и действовал именно на том этапе развития, на котором проявляется эффект организатора. Могу себе представить, что чувствовал Де Робертис, когда нашел этот ген. Перед ним был легендарный участок-организатор, и внутри этого участка работал ген, который, похоже, им управлял или по крайней мере был связан с его действием в процессе развития эмбриона. Интерес к организатору вспыхнул с новой силой.
После этого во многих разных лабораториях стали находить гены, связанные с организатором. Ричард Харланд, работавший в университете Беркли, проводя совсем другие эксперименты, нашел еще один ген, который он назвал Noggin. Этот ген делал в точности то, что должен делать ген организатора. Когда Харланд взял немного продукта этого гена и ввел его в определенный участок тела развивающегося эмбриона, эффект был точно таким же, как от пересадки организатора. Тело развившегося эмбриона обладало удвоенной продольной осью и двумя головами.
Действительно ли ген, открытый Де Робертисом, и ген Noggin и являются теми участками ДНК, которые обеспечивают работу организатора? Ответ здесь — и да и нет. Организацию плана строения тела обеспечивают многие гены, в том числе и эти два. Системы таких генов довольно сложны: один и тот же ген может играть на разных этапах развития несколько разных ролей. К примеру, ген Noggin играет важную роль в формировании оси тела, но также задействован и в процессе развития многих других органов. Более того, сложное поведение клеток, обеспечивающее, например, развитие головы, связано с работой не одного, а многих генов. На всех стадиях развития эмбриона одни гены взаимодействуют с другими. Работа одного гена может подавлять, а может и стимулировать работу другого. Иногда включение или выключение определенного гена обеспечивается взаимодействием сразу многих других генов. К счастью, новейшие методы позволяют нам наблюдать, как в клетке одновременно работают тысячи разных генов. Эти методы вместе с новыми компьютерными технологиями, дающими нам возможность разбираться в функциях конкретных генов, обладают огромным потенциалом для выяснения того, как гены обеспечивают формирование клеток, тканей и тел.
Выяснение этих сложных взаимодействий между батареями генов проливает свет на механизмы, благодаря которым формируются наши тела. Работа гена Noggin — прекрасный тому пример. Продукт этого гена сам по себе не указывает ни одной клетке, где она должна располагаться на оси, идущей от спины к брюху. Этот ген действует лишь в унисон с множеством других генов. Их совместная работа и определяет положение клеток. Еще один ген, BMP-4, представляет собой «брюшной» ген. Он включается в клетках, из которых развиваются структуры, расположенные на брюшной стороне тела. Для развития зародыша очень важно взаимодействие между генами BMP-4 и Noggin. В тех клетках, где активен Noggin, BMP-4 не может выполнять свою работу. В итоге получается, что ген Noggin не столько говорит клеткам, что им нужно стать «клетками спинной стороны тела», сколько выключает сигнал, который сделал бы их клетками брюшной стороны. Такого рода отношения, включение и выключение, и лежат в основе всех процессов развития живых организмов.
Внутренняя актиния
Одно дело — сравнивать наши тела с телами лягушек и рыб. Между нами есть немало черт вполне заметного сходства: у нас у всех есть позвоночник, конечности, голова и так далее. Но что если сравнить нас с кем-нибудь совершенно на нас не похожим, например с медузами и их родственниками?
У большинства животных тело имеет оси, положение которых определяется направлением передвижения или взаимным расположением рта и анального отверстия. Подумайте вот о чем: рот у нас находится на конце тела, противоположном анусу, и, как и у рыб и насекомых, обычно смотрит вперед.
Как бы нам найти себя в животных, у которых нет даже нервного тяжа? У которых нет рта или ануса? У таких существ, как медузы, кораллы и актинии, рот имеется, а вот ануса действительно нет. То же самое отверстие, которое служит им ртом, используется и для выброса непереваренных остатков пищи. Для медуз и их родственников такая конструкция вполне удобна. Но у биологов, сравнивающих строение этих организмов с устройством каких-либо других существ, оно вызывает изрядное головокружение.
Многие мои коллеги, в том числе Марк Мартиндейл и Джон Финнерти, работали над этой проблемой, изучая развитие представителей данной группы животных. Очень много полезных сведений им позволили получить актинии — близкие родственники медуз, живущие на морском дне и обладающие очень простым строением тела. Форма тела актинии весьма необычна, и на первый взгляд может показаться, что сравнивать их строение с нашим совершенно бесполезно. Внешне тело актинии напоминает ствол дерева, стоящий на утолщенном пеньке и увенчанный вверху кольцом из щупальцев. Эта странная форма тела делает актиний особенно интересным объектом для исследований: можно считать, что у них есть верх и низ или перед и зад, но в любом случае имеется лишь единственная ось симметрии. Проведем линию от ротового отверстия этого животного к основанию его тела. Биологи дали такой оси специальное название — орально-аборальная ось. Но название можно дать и чему-нибудь воображаемому. Если же эта ось биологически реальна, ее развитие должно чем-то напоминать развитие одной из трех осей нашего тела.
Мартиндейл и его коллеги выяснили, что у актиний действительно имеются примитивные варианты наших генов, определяющих план строения, а именно тех, что управляют формированием оси, соединяющей рот и анус. И, что еще важнее, эти гены работают у актиний вдоль орально-аборальной оси, что в свою очередь означает, что орально-аборальная ось этих примитивных существ генетически эквивалентна оси нашего тела, соединяющей рот и анус.
С одной осью удалось разобраться, но как насчет еще одной? Есть ли у актиний что-то соответствующее нашей спинно-брюшной оси? В строении их тела, похоже, нет ничего похожего на спину и брюхо. Несмотря на это, Мартиндейл и его коллеги смело взялись за поиски у актиний генов, определяющих расположение структур тела вдоль спинно-брюшной оси. Исследователям было известно, как выглядят эти гены у нас, и этот образ был использован для выявления таких генов у актиний. И в итоге им удалось найти у актиний даже не один, а много разных генов спинно-брюшной оси. Но хотя эти гены и работали в развивающемся организме вдоль подобной оси, сама эта ось, похоже, никак не проявлялась в чертах строения тела взрослой актинии.
Если судить по одному лишь внешнему облику актинии, эта скрытая ось не выражена совсем никак. Но если разрезать тело актинии поперек, мы увидим еще одну скрытую черту — еще одну ось симметрии. Эту ось называют директивной, или направляющей. Она, как ни странно, разделяет тело как бы на две половинки — почти что правый и левый бок.
У медуз и их родственников (например, актиний), как и у нас, имеются передний и задний концы тела. Такой план строения определяется у них вариантами тех же генов, что играют аналогичную роль и в человеческом теле.
Эта неявная ось была известна анатомам с двадцатых годов, но оставалась своего рода научной диковинкой. Мартиндейл, Финнерти и их коллеги смогли разобраться в этом загадочном явлении.
Все животные и похожи друг на друга, и отличаются друг от друга. Подобно тому как рецепт пирога передается из поколения в поколение, на каждом этапе изменяясь и совершенствуясь, так же и рецепт построения наших тел передавался из поколения в поколение — и изменялся в течение многих миллионов лет. Может быть, мы и не похожи на актиний и медуз, но рецепт, по которому формируется наше тело, представляет собой лишь более замысловатую версию того рецепта, по которому формируются их тела.
Убедительные свидетельства существования общего для всех животных генетического рецепта развития можно получить, используя вместо генов одних организмов гены других. Что произойдет, если мы заменим один из генов «бодибилдинга» (то есть построения тела) существа, тело которого организовано примерно так же сложно, как наше, на соответствующий ген актинии? Вспомним ген Noggin, который у лягушек, мышей и людей включается в местах, где образуются структуры спины. Введем дополнительную порцию продукта этого гена в икринку лягушки, и у этой лягушки сформируются дополнительные спинные структуры, иногда даже дополнительная голова. В эмбрионах актиний разновидность гена Noggin тоже включается на определенном этапе развития в клетках одного из концов директивной оси. Проведем принципиально важный эксперимент: возьмем продукт гена Noggin актинии и введем его в эмбрион лягушки. Результат? Лягушка с дополнительными спинными структурами, примерно такая же, как в опыте с введением в эмбрион лягушки продукта собственного гена Noggin.
Однако теперь, углубляясь в прошлое, мы подошли к еще одной, на первый взгляд трудноразрешимой, загадке. Все организмы, о которых шла речь в этой главе, обладают многоклеточным телом. Как нам сравнить самих себя с существами, вовсе лишенными тела, — одноклеточными микробами?
Глава 7. Приключения с бодибилдингом{7}
С тех пор как я поступил в магистратуру, значительную часть времени, не занятого поисками ископаемых, я провел за микроскопом, изучая клетки, совместная работа которых обеспечивает образование костей.
Я брал развивающуюся конечность саламандры или лягушки и окрашивал ее клетки пигментами, которые делают формирующиеся хрящи синими, а кости — красными. Затем с помощью глицерина я мог сделать остальные ткани прозрачными и бесцветными. Это были очень красивые препараты: прозрачная конечность эмбриона и кости внутри нее, сияющие цветами пигментов. Казалось, что я изучаю животных, сделанных из стекла.
В эти долгие часы, проведенные за микроскопом, я в буквальном смысле наблюдал построение тела животного. На самых ранних стадиях у эмбрионов были крошечные зачатки конечностей, внутри которых клетки разделялись равномерными промежутками. Затем, на следующих стадиях, клетки внутри зачатка конечности начинали собираться в комки. На более поздних стадиях клетки уже принимали различную форму, и внутри зачатка конечности начинали формироваться кости. В них превращались все клеточные комки, которые я наблюдал у эмбрионов на более ранних стадиях.
Когда видишь, как по кусочкам собирается тело животного, сложно не почувствовать благоговейный трепет. Подобно строящемуся дому, конечность постепенно составляется из маленьких элементов, соединяющихся друг с другом, формируя структуру большего размера. Но между строящимся домом и развивающимся организмом есть и существенная разница. Строительством дома руководят люди, которые четко представляют себе, куда и как должны лечь кирпичи, а развитием конечностей и тел животных никто не руководит. Информация, позволяющая формировать конечности, представляет собой не какой-то отдельный архитектурный план — напротив, она содержится в каждой клетке. Представьте себе дом, который сам собой собирается на основе информации, содержащейся в кирпичах. А ведь именно так и собираются тела животных.
Значительная часть того, из чего делаются тела, находится внутри клеток. Там же находится и значительная часть того, что делает нас уникальными. Наше тело не похоже на тело медузы потому, что наши клетки по-другому соединяются друг с другом, по-другому взаимодействуют и производят разные материалы.
Прежде чем у наших тел вообще возник план строения, не говоря уже о голове, мозге или руках, должны были каким-то образом возникнуть сами тела. Что это значит? Вот что: чтобы клетки могли образовать все ткани и органы тела, вначале они должны были научиться объединяться и сотрудничать — собираться вместе и образовывать организмы совершенно нового типа.
Чтобы понять, какой в этом смысл, давайте для начала обсудим, что собой представляет тело многоклеточного организма, а затем обратимся к трем главным вопросам: когда, как и почему. Когда возникли многоклеточные тела, как они возникли и, самое главное, почему они вообще существуют?
Поиск доказательств: где тело?
Далеко не каждый комок клеток заслуживает почетного звания тела. Бактериальный мат или группа клеток кожи — нечто совсем иное, чем объединение клеток, которое мы называем телом многоклеточного организма. Разница между ними принципиальна. Чтобы понять, в чем она состоит, проведем следующий мысленный эксперимент.
Что случится, если мы удалим часть бактерий из бактериального мата? Мы получим бактериальный мат меньшего размера. А что случится, если мы удалим порцию клеток человека или рыбы, скажем, из сердца или из мозга? В зависимости от того, какие именно это будут клетки, мы можем получить в итоге труп человека или рыбы.
Этот мысленный эксперимент демонстрирует нам одно из важнейших свойств многоклеточных организмов: наши клетки работают вместе, образуя тем самым нечто большее, чем их простая сумма. При этом не все части тела равны. Некоторые из них жизненно необходимы. Кроме того, между частями многоклеточного тела существует разделение труда: мозг, сердце и желудок выполняют совершенно разные функции. Это разделение труда наблюдается и в самом мелком масштабе: оно свойственно не только частям тела и органам, но также и клеткам, генам и белкам, из которых состоит тело.
Многоклеточный организм, будь то тело червя или человека, обладает индивидуальностью, которой лишены составляющие его части. Например, клетки нашей кожи непрерывно делятся, умирают, отшелушиваются и отпадают. Но каждый из нас при этом остается тем же самым индивидуумом, что и много лет назад, — несмотря на то что с тех пор едва ли не все клетки нашей кожи уже заменились на новые. Те, что были у нас много лет назад, мертвы и сброшены, а их место заняли другие. То же самое можно отнести едва ли не к каждой клетке нашего тела. Подобно реке, которая остается той же, несмотря на то что у нее меняется русло, а также скорость и объем переносимой воды, каждый из нас остается тем же индивидуумом, каким был, несмотря на текучесть составляющих нас частей.