Текст книги "Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК"

Геномы без генов

В тот момент, когда президент США Билл Клинтон и премьер-министр Великобритании Тони Блэр проводили пресс-конференцию при участии руководителей двух конкурирующих групп, занимавшихся секвенированием генома человека (общественной организации под руководством Фрэнсиса Коллинза и частной компании Крейга Бентера), последовательность генома была известна лишь приблизительно. Несмотря на всеобщий энтузиазм, тогда, в 2000 году, еще не были прочитаны очень большие куски генома, и мало что было известно о том, какие части важны для здоровья и развития человека.

Первичные результаты проекта “Геном человека” в меньшей степени касались последовательности генома, чем разработки технологии его анализа. Соревнование за победу в секвенировании генома человека вызвало невероятный технологический подъем, продолжающийся до сих пор. Как известно, в 1965 году Гордон Мур[10]10
  Гордон Эрл Мур — основатель и почетный директор корпорации Intel, автор знаменитого “закона Мура”.


[Закрыть] предсказал, что мощность микропроцессоров каждые два года будет увеличиваться вдвое. Мы ощущаем результаты этого роста при каждой покупке электронного устройства: компьютеры и телефоны от года к году становятся мощнее и дешевле. Геномные технологии развиваются с точно такой же скоростью. На выполнение проекта “Геном человека” ушло более десяти лет, было затрачено свыше 3,8 миллиарда долларов и потребовалось множество аппаратуры. Сегодня существуют специальные аппараты для секвенирования, и уже появились портативные секвенаторы.

После картирования человеческого генома ежегодно стали публиковаться последовательности геномов других видов. Теперь скорость появления информации о новых геномах ограничивается только возможностями научных журналов, которые ее публикуют. Были выполнены проекты по секвенированию геномов мыши, лилии, лягушки – абсолютно всего, от вирусов до приматов. Поначалу публикация результатов каждого геномного проекта становилась сенсацией; такие публикации появлялись в лучших журналах и сопровождались сообщениями в прессе. Сегодня публикации о последовательностях новых геномов практически не привлекают внимания, если только не имеют отношения к важным биологическим или медицинским проблемам.

Но хотя престиж геномных статей упал, сами статьи продолжают оставаться золотой жилой, которая привела бы в восторг Эмиля Цукеркандля, Лайнуса Полинга и Аллана Вильсона. Зная последовательности геномов мух, мышей и людей, мы можем искать в них ответы на важнейшие вопросы о жизни: каким родством связаны между собой разные виды и что отличает один вид от другого.

Каждый из нас состоит из триллионов клеток – клеток мышц, нервов, скелета и сотен других видов клеток, которые действуют совместно и связаны и организованы единственно правильным образом. А плоский червь Caenorhabitis elegans состоит всего из 956 клеток. Если это вас не удивляет, подумайте вот о чем: несмотря на разительное различие в количестве клеток тела и сложности устройства органов и частей тела, люди и черви имеют одинаковое количество генов – около 20 тысяч. И не только черви. Мухи тоже имеют столько же генов, сколько и мы. Но животные далеко не чемпионы по сравнению с некоторыми растениями, такими как рис, соя, кукуруза или маниока, в геноме которых содержится почти вдвое больше генов. Таким образом, эволюция сложных новых органов и тканей, а также сложного поведения в мире животных не связана с увеличением числа генов.

Еще более странным оказалось строение геномов. Вспомните мантру: гены – это последовательности оснований, которые кодируют последовательности аминокислот, а из этих аминокислот складываются белки. По сути, гены представляют собой молекулярную матрицу для синтеза белков. Когда публикуется последовательность какого-то гена, авторов просят открыть доступ к данным для всех желающих, поместив их в государственную компьютерную базу данных. За десятилетия работы с генами в базах данных накопились последовательности тысяч генов из тысяч видов организмов. Теперь вы можете сесть за компьютер, набрать последовательность и увидеть, какому гену из какого организма она соответствует. И если сравнить какой-то геном с генами из баз данных и найти совпадения, можно понять, какие гены в этом геноме содержатся. При анализе всех геномов, прочитанных за два последних десятилетия, выяснилось одно обстоятельство, которое нельзя не заметить: в геномах мало генов. Гены – это та часть генома, в которой закодированы белки, но большая часть генома, по-видимому, не связана с синтезом белков. Последовательности генов, кодирующие белки, составляют менее 2 % ДНК человеческого генома. Таким образом, оставшиеся 98 % ДНК не содержат генов.

Гены – лишь островки в море ДНК. И за редкими исключениями такая картина наблюдается у всех видов от червя до мыши. Но если основная часть генома не содержит генов, кодирующих белки, зачем она нужна?

Помощь бактерий

После участия во французском движении Сопротивления во время Второй мировой войны французские биологи Франсуа Жакоб (1920-2013) и Жак Моно (1910-1976) начали изучать бактерий, чтобы понять, как они расщепляют сахара. Вряд ли можно найти другую тематику, которая казалась бы более отвлеченной и в меньшей степени связанной с физиологией человека.

Жакоб и Моно показали, что распространенная бактерия Escherichia coli может расщеплять два вида сахаров – глюкозу и лактозу. Бактериальный геном достаточно прост. Длинные последовательности ДНК содержат гены, в которых записана необходимая информация для синтеза белков, расщепляющих каждый из двух сахаров. Если в среде много глюкозы и мало лактозы, геном производит белки, расщепляющие глюкозу. В обратной ситуации синтезируется белок, расщепляющий лактозу. Хотя эта картина кажется простой и очевидной, тем не менее она стала основанием для революции в биологии.

Ученые обнаружили в бактериальном геноме две составляющие. Во-первых, есть гены, содержащие информацию о структуре двух белков, расщепляющих два вида сахаров. Это последовательности букв А, Т, G и С, которые транслируются в последовательности аминокислот в молекуле каждого белка. На концах этих последовательностей есть другие короткие последовательности букв А, Т, G и С, которые ничего не кодируют. Когда с этими фрагментами ДНК связывается другая молекула, происходит включение или выключение гена. Это второй компонент генома. Эти короткие фрагменты ДНК можно назвать молекулярными переключателями, которые контролируют активацию гена и запуск синтеза белка. В геноме бактерий гены и переключатели, контролирующие их активность, находятся в непосредственной близости друг от друга. В зависимости от того, какой сахар присутствует в среде, происходит молекулярная реакция, контролирующая включение того или иного гена и синтез соответствующего белка.

Жакоб и Моно выяснили, что бактериальный геном – это биологический механизм, обеспечивающий синтез белков в правильном месте и в правильное время. Работа этого механизма основана на двух компонентах – генах, кодирующих белки, и переключателях, определяющих место и время активации этих генов. За данную работу в 1965 году трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине[11]11
  Нобелевскую премию “за открытия, касающиеся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов” разделили Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андре Львов.


[Закрыть].

За годы, прошедшие после награждения Жакоба и Моно Нобелевской премией, было показано, что такая двухуровневая организация процесса синтеза белка является общим правилом для геномов всех организмов. Животные, растения и грибы тоже имеют гены, кодирующие белки, и молекулярные переключатели, включающие и выключающие эти гены.

Это открытие помогает понять, что же определяет различия между клетками, тканями и органами. Тело человека – высокоорганизованный комплекс, состоящий из четырех триллионов клеток двухсот разных видов, объединенных в ткани, такие как кости, головной мозг, печень и скелет. Хрящевые ткани состоят из клеток, производящих коллаген, протеогликаны и другие компоненты, которые в сочетании с водой и минеральными компонентами обеспечивают хрящам гибкость и прочность. В нервных клетках образуется совсем не такое сочетание белков, как в клетках хрящевой, мышечной или костной ткани.

При включении генетического переключателя, которое обычно происходит в результате присоединения белков, активируется соответствующий ген, и начинается синтез белка

Вот в чем заключается сложность: все клетки тела содержат одну и ту же последовательность ДНК оплодотворенной яйцеклетки, из которой они произошли. ДНК в нервных клетках идентична ДНК в клетках хрящевой, мышечной или костной ткани. Во всех клетках тела содержится один и тот же набор генов. Но если во всех клетках содержатся одинаковые гены, следовательно, различия между разными клетками определяются тем, какие гены в этих клетках активно производят белки. Переключатели такого типа, какие были открыты Жакобом и Моно, стали ключевым элементом в понимании того, как геном создает разные клетки, ткани и тела.

Если геном – это рецепт, тогда гены – ингредиенты, а переключатели – инструкции, определяющие тип ингредиентов и порядок их добавления. Поскольку только 2 % генома соответствует генам белков, оставшиеся 98 % несут в себе информацию относительно того, какие гены и в какой момент должны проявлять активность.

Но как на основе инструкций генома формируется тело? И как происходят изменения генома, приводящие к образованию новых видов в истории жизни? В период работы над проектом “Геном человека” никто еще не подозревал, что небольшое количество генов и их разреженность в геноме – это лишь вершина айсберга.

Пальцы указывают путь

Когда-то моряки думали, что кошки с шестью пальцами приносят кораблю удачу. Считалось, что кошки с широкими лапами лучше ловят мышей, поскольку лучше держат равновесие в море. Капитан Стэнли Декстер разводил таких кошек и подарил одного котенка своему другу Эрнесту Хемингуэю, который в то время жил в Ки-Уэсте. Этот котенок Снежок стал родоначальником целой линии шестипалых котов, до сих пор живущих в доме Хемингуэя. Но эти кошки не только привлекают туристов; они сыграли роль в формировании новой концепции функционирования генома.

У людей тоже иногда бывают лишние пальцы. В среднем один человек из тысячи родится с дополнительным пальцем на руке или на ноге. В 2010 году в Индии родился мальчик с 34 пальцами. Лишние пальцы могут появляться со стороны большого пальца, со стороны мизинца или в результате расщепления промежуточных пальцев в форме вилки. Дополнительные пальцы со стороны большого пальца (так называемая преаксиальная полидактилия) особенно значимы в биологическом плане.

Кошки с полидактилией (“кошки Хемингуэя”) имеют широкие лапы с шестью или большим числом пальцев

В 1960-х годах ученые, работавшие с куриными эмбрионами, пытались понять, как в процессе эмбрионального развития образуются ноги и крылья. Конечности зарождаются на теле эмбриона в виде крохотных выростов, напоминающих тоненькие трубочки. За несколько дней (точное время разнится у разных видов) они увеличиваются, в них начинают формироваться кости, и удлиняющийся конец начинает походить на широкое весло. На этой расширенной поверхности постепенно формируются лодыжки, кисти и пальцы.

Ученые обнаружили, что путем удаления или перемещения клеток в области “весла” можно изменять число формирующихся пальцев. Если удалить крохотный кусочек ткани с растущего конца, развитие конечности останавливается. Когда это делали на ранних этапах развития, на конечности у эмбриона было меньше пальцев или их не было совсем. Когда это делали чуть позже, у эмбриона могло не хватать всего одного пальца. Все зависит от того, на какой стадии развития проводить эксперимент: удаление ткани на ранней стадии оказывает более заметное влияние на развитие эмбриона, чем вмешательство на поздней стадии.

Джон Сондерс и Мэри Гэсслинг из Университета Висконсина по неизвестным теперь уже причинам удалили крохотный участок ткани от основания растущего зачатка конечности. Этот фрагмент ткани не имел никаких опознавательных признаков, ничего выдающегося. Он расположен в той части “весла”, из которой в конечном итоге развиваются мизинцы. Исследователи извлекли кусочек ткани длиной менее миллиметра и пересадили его на противоположную сторону в основании “весла”, туда, где развивается большой палец. Запаяв эмбрион в скорлупе, они ждали окончания его развития.

Появившийся цыпленок выглядел неожиданно. Он был таким же, как все цыплята, – с клювом, перьями и крыльями. Но его крылья, в отличие от нормальных крыльев с тремя удлиненными пальцами, имели по шесть пальцев. Что-то внутри этого крохотного комочка клеток содержало инструкции для развития пальцев.

Вскоре аналогичные эксперименты начались и в других лабораториях. В 1970-х годах британские исследователи поместили крохотные кусочки фольги между этим участком ткани и остальной частью зачатка конечности. В результате на крыльях получилось меньше пальцев, чем обычно. Фольга служила барьером между фрагментом ткани и другими клетками. Напрашивался вывод, что какое-то вещество, выделяющееся из этой группы клеток, проходит через растущую конечность и активизирует рост пальцев. Когда фольга предотвращает диффузию, образуется меньше пальцев, а когда барьер устанавливают в другой части конечности, образуется больше пальцев. Но какое вещество выделяют клетки?

В начале 1990-х годов три лаборатории независимо друг от друга использовали новые методы для выделения этого белка и соответствующего гена. В процессе эмбрионального развития на основании гена синтезируется белок, который проходит через “весельную” часть зачатка конечности. Как обнаружили ученые, по мере продвижения он сообщает группам клеток, какие пальцы они должны формировать. Там, где концентрация белка высокая, образуется пятый палец – мизинец. Там, где она низкая, образуется первый (большой) палец. Там, где концентрация белка промежуточная, образуются промежуточные пальцы. В одной из исследовательских групп этот ген назвали Sonic hedgehog, намекая на уже известный ген hedgehog из других видов животных и популярную видеоигру про ежика Соника.

Но что заставляет ген производить больше или меньше пальцев? Может быть, у гена Sonic hedgehog есть переключатели, которые влияют на развитие пальцев? Ответ на этот вопрос дал бы ключ к пониманию того, как на основании генов формируется тело и как оно эволюционирует.

Как многие важные моменты в жизни и в науке, эта история началась со случайности.

В конце 1990-х годов группа генетиков из Лондона встраивала фрагменты ДНК в геном мыши, чтобы изучать формирование головного мозга. Эти фрагменты были частью маленького молекулярного аппарата, который исследователи сконструировали для того, чтобы он прикреплялся к ДНК и служил маркером ее активности. В подобных экспериментах часто что-то идет не так, как задумано. Фрагмент может угодить в любой участок генома. Если он оказывается в биологически важной части генома, может появиться мутант. Именно это и произошло в эксперименте: у некоторых мышей с встроенными фрагментами ДНК был нормальный мозг, но деформированные пальцы передних и задних лап. Одна из мышей имела дополнительные пальцы и очень широкие лапы, напоминавшие лапы кошек Хемингуэя. Исследователям удалось вывести линию таких мутантных мышей и, как принято, им было дано имя. Их назвали Sasquatch, “снежный человек”, в честь большеногого существа из паранормального мира.

Поскольку эти мутанты были бесполезны для изучения головного мозга, исследователи подумали, что они могут пригодиться биологам, изучающим развитие конечностей. И на какой-то научной конференции вывесили постер со своими результатами. Постерные сессии на научных конференциях часто считают чем-то второстепенным, поскольку лучшие результаты представляют в виде докладов. Но в постерных сессиях играет роль социальный аспект, поскольку люди ходят, смотрят и обсуждают науку. Мой личный опыт показывает, что больше научных контактов завязывается после постерных сессий, чем после докладов.

Постер описывал тип полидактилии, который, как известно, возникает в результате мутации Sonic hedgehog', дополнительные пальцы со стороны мизинца. Такие мутации происходят по той причине, что Sonic hedgehog включается на неправильной стороне конечности. Так что на следующем этапе, совершенно очевидно, надлежало проследить за активностью гена Sonic у мутантов, но такой эксперимент на постере отражен не был. Получив мутантов случайным образом, исследователи проанализировали крохотные развивающиеся конечности под микроскопом. Как можно предположить при таком типе полидактилии, активность Sonic hedgehog в мутантах оказалась значительно усилена. На основании этих наблюдений была выдвинута гипотеза, что мутант Sasquatch получился в результате встраивания фрагмента ДНК внутрь гена Sonic hedgehog или в непосредственной близости от него.

Постер привлек к себе внимание не биологов, специализирующихся на конечностях, а известного генетика из Эдинбурга Роберта Хилла, случайно проходившего мимо и заметившего фотографии мутанта Sasquatch. С этого момента началась новая исследовательская программа.

Лаборатория Хилла получила известность в связи с изучением генов, участвующих в развитии глаз. В процессе этой работы группа специалистов, среди которых была молодая исследовательница Лора Леттис, создала метод анализа генома для выявления в нем фрагментов ДНК. Поскольку последовательность встроенного в мутантную мышь фрагмента ДНК была известна, нужно было просканировать весь геном и найти, куда он встроился. Леттис только начинала работать и была еще довольно неопытной, но она обладала терпением и необходимым набором навыков.

Для локализации мутации в последовательности ДНК ученые использовали простой трюк. Они присоединяли молекулу красителя к короткой последовательности ДНК, комплементарной вызвавшему мутацию фрагменту. Смысл в том, что эта последовательность находит мутацию, связывается с нужным фрагментом, и voila — краситель показывает, где он находится. Поскольку мутация повлияла на активность гена Sonic hedgehog, скорее всего, она могла находиться в одном из двух мест – либо в самом гене, либо в непосредственно прилегающей к нему контрольной области, такой же, как Жакоб и Моно открыли в клетках бактерий.

Выяснилось, что ген Sonic hedgehog затронут не был. В этой области краситель не давал сигнала. В чем бы ни заключалась причина изменения активности Sonic hedgehog в конечности и полидактилии, это не была мутация самого гена или соответствующего белка. Подобно Жакобу и Моно, исследователи предположили, что был задет один из прилежащих к гену контрольных регионов. Они провели анализ и убедились, что и в этой зоне все совершенно нормально. Но если ни ген, ни прилежащие переключатели не были повреждены, что же в таком случае вызывало мутацию?

Некоторые генетические переключатели расположены очень далеко от генов, которые они контролируют. ДНК всегда образует петли и складки и изгибается, чтобы закрыться и открыться и привести переключатели в непосредственный контакт с их генами, чтобы с них мог считываться белок

Любой человек, пытавшийся разыскать улетевшую в ветреный день самодельную ракету, знает, что можно потратить уйму времени на поиски в непосредственной близости от старта, тогда как искать нужно вдалеке. Хилл, Леттис и другие исследователи начали прочесывать весь геном, пока наконец не обнаружили сигнал. Фрагмент встроился почти в миллионе оснований от последовательности гена Sonic hedgehog. Иными словами, между местом мутации и геном Sonic было гигантское расстояние. Подозревая, что это ошибка, исследователи повторили эксперимент и вновь проанализировали результаты. Но что бы они ни делали, результаты оставались такими же. Маленький участок ДНК на расстоянии миллиона оснований от гена каким-то образом контролировал его активность. Представьте себе, что выключатель от лампы в комнате в Филадельфии находится на стене гаража в пригороде Бостона.

Может ли быть, что изменения в этом отдаленном участке стали причиной появления дополнительных пальцев? Исследователи нашли столько людей и кошек с шестью пальцами, сколько смогли (пациентов с полидактилией из Голландии, мальчика из Японии и даже кошек Хемингуэя), и проанализировали их ДНК. И в каждом случае они обнаружили небольшую мутацию в этом самом участке, отстоящем на миллион оснований от гена Sonic hedgehog. Каким-то образом небольшая мутация в другой части генома вызывала изменение активности Sonic, активизируя его действие во всей конечности, что приводило к появлению дополнительных пальцев рук и ног.

Определив последовательность букв А, Т, С и G в этом участке, ученые обнаружили, что она весьма специфическая. Длина участка составляет около полутора тысяч оснований, и его последовательности сопоставимы у разных организмов. У людей и у мышей он располагается в одном и том же месте – примерно в миллионе оснований от гена. То же самое наблюдается у лягушек, ящериц и птиц. Эта последовательность есть у всех существ с конечностями и даже у рыб. Она есть у лосося, есть у акулы. Все существа, у которых ген Sonic hedgehog задействован в развитии конечностей, будь то ноги или плавники, имеют такой контрольный участок на расстоянии почти миллиона оснований от гена. Через этот странный пример организации генома природа сообщала исследователям нечто важное.