Эво-дево

[Dagor Bragollach]

Писатель-фантаст Артур Кларк как-то сказал, что достаточно развитая наука становится неотличимой от магии. В наше время это утверждение в первую очередь применимо к новой науке, именуемой эво-дево — эволюционной биологии развития. Эта новая дисциплина порой напоминает фильмы–ужастики, но за ней — надежда на излечение болезней, приговор по которым сегодня — смерть

Юрий Панчул, Саннивейл, Калифорния

Вначале 1990-х годов швейцарский исследователь Вальтер Геринг произвел странный эксперимент. Геринг внедрил ген мыши Pax-6, ответственный за формирование глаза, в тело… мухи. В результате у мухи начали формироваться недоразвитые глаза в самых разных местах тела — на ногах и даже на крыльях. Но самое поразительное: эти глаза были не мышиные, а мушиные. Как это возможно? Ведь анатомически глаза млекопитающих не имеют никакого отношения к фасеточным глазам насекомых. Каким образом генетическая программа мыши заработала в организме мухи? Ответ на этот вопрос был получен в рамках новой науки эво-дево1, которая занимается расшифровкой и модификацией генетической программы построения тел живых существ во время эмбрионального развития.

Сердце на заказ

В последние годы ведутся ожесточенные споры об этичности клонирования и использования эмбриональных стволовых клеток. Противники абортов считают, что использование эмбриональных клеток неэтично, ученые же оправдывают эту технологию тем, что в будущем специалисты научатся выращивать из стволовых клеток органы — сердце, печень, почки, которые можно будет использовать для пересадки тяжелобольным людям. В этих спорах часто упускается важный момент. Стволовые клетки сами по себе не вырастают в заказанную под больного печень или сердце. Вопрос в том, как «заставить» стволовые клетки работать по заданию. Ответ на него, в частности, ищут и адепты эво-дево.

Проблема, над которой долго бились ученые: каким образом аморфная группа клеток эмбриона вдруг «решает», что вот именно в этом месте должна начать расти нога или формироваться сердце? Согласно эво-дево, каждая клетка эмбриона ведет себя подобно водителю автомобиля, использующего навигатор системы GPS2. GPS автомобиля принимает сигналы от висящих над Землей спутников и, в свою очередь, определяет координаты точки земной поверхности, на которой находится автомобиль. Потом компьютер GPS смотрит на записанную на компакт-диске карту города и дает водителю подсказку — повернуть направо или ехать прямо.

Вижу цель

В эмбрионе некоторые клетки тоже играют роль «маяков», испуская химические сигналы. Если бы принимающая сигнал клетка могла думать, это выглядело бы так: «Вижу сильный сигнал от группы клеток ниже шеи, сигнал послабее от клеток района головы и совсем слабый сигнал от клеток района хвоста; другие клетки сигналят, что я между спиной и грудью. Получается, я нахожусь в месте, где должно формироваться сердце, но химического сигнала от сердца еще нет. Ага! Значит, сердце придется формировать мне. Испускаем сигнал «сердце здесь» и начинаем вырабатывать протеины, чтобы стать специализированной клеткой сердца». Теперь сигнал «сердце здесь» получат и соседние клетки, в результате чего после многих клеточных делений и принятия уточняющих «решений» в данном месте тела вырастет сердце.

Но это еще не все. Наш организм имеет механизмы оптимизации действий клетки. Происходит это так: каждая клетка тела несет в себе полную инструкцию по «сборке» всего тела, записанную в ДНК. Но клетке нет необходимости выполнять всю «инструкцию». Например, клетке мозга не нужно выполнять все части инструкции для клетки желудка, и наоборот. Существуют «молекулярные переключатели», которые определяют, какая именно часть инструкции исполняется для данной клетки в данный момент времени. Такой молекулярный переключатель состоит из участка ДНК и «приклеившейся» к нему контролирующей молекулы белка. Приходящий в клетку химический сигнал взаимодействует с контролирующим белком, который может «включить» или «выключить» находящийся неподалеку ген. Так, кстати, было сделано и еще одно фундаментальное открытие. Раньше считалось, что большая часть ДНК человека — это некая «темная материя» (она называется «мусорная ДНК»), которая никак не используется. Выяснилось: еще как используется — для кодирования вот этих самых молекулярных переключателей.

Сиамские близнецы саламандры

Эво-дево стоит на четырех китах: экспериментах на эмбрионах животных, изучении мутантов, открытии регулирующих генов и палеонтологии. Еще в 1903 году немецкий эмбриолог Ханс Шпеманн решил узнать, где находится информация о формировании эмбриона, и приступил к экспериментам по удалению и пересадке миниатюрных фрагментов эмбрионов тритонов3. Самый известный эксперимент в лаборатории Шпеманна был поставлен его студенткой Хильде Манголд.

У Хильде был талант к супертонким операциям на зародышах. Она взяла зародыш земноводного (саламандры) размером не более 2 миллиметров и пересадила его фрагмент размером всего в несколько клеток в другой эмбрион. В результате она получила сиамских близнецов и вместе со Шпеманном заключила, что пересаженный ею фрагмент является «организатором», источником информации о плане тела4.

Рыба с пальцами

В 1950–1960 годах опыты на эмбрионах продолжили биологи Эдгар Звиллинг, Джон Саундерс и Мэри Гасселинг, которые работали с куриными яйцами, и выяснили, какой фрагмент контролирует формирование куриного крыла. При удалении этого фрагмента на ранних стадиях формирование крыла останавливалось, на поздних — крыло получалось недоразвитое, а при пересадке этого фрагмента другому эмбриону у того вырастал двойной набор «пальцев». Этот «организатор крыла» назвали ZPA5.

Научный прорыв произошел, когда выяснилось, что можно просто делать точечную инъекцию формы витамина A, который оказался химическим сигналом «здесь формируется крыло». Следующим шагом было отыскание гена, который, собственно, и реагирует на сигнал и создает само крыло. Этот ген был найден в 1993 году исследователем из Гарварда Клиффом Табиным. Ген получил название sonic hedgehog, в буквальном переводе — «звуковой ежик»: на самом деле слово «sonic» ученые позаимствовали у персонажа популярной компьютерной игры.

В 90-е годы эмбриологи и генетики стали работать с палеонтологами. В частности, оказалось, что такой эпизод эволюции, как превращение плавников рыбы в конечности с пальцами, можно объяснить сравнительно простой мутацией этого самого «ежика» — регулирующего гена. Чтобы подтвердить эту гипотезу экспериментально, исследователь Рэндал Дан из Университета Чикаго ввел этот ген мыши в эмбрион ската, рыбы, родственной акулам. В результате у эмбриона ската кости основания плавника стали формироваться… наподобие пальцев млекопитающих6.

Общий предок мухи и слона

С начала 1980-х годов были обнаружены многие регулирующие гены, в частности, «гены-начальники», «отдающие приказ» на формирование глаза (ген Pax-6) и сердца (ген Tinman). В этот момент исследователей ждал шок. Выяснилось, что «геныначальники» практически совпадают у двух главных эволюционных линий животных — линии, ведущей к насекомым, и линии, ведущей к позвоночным животным и человеку. Хотя «гены-рабочие», кодирующие детали форм глаза или сердца, различны. До этого считалось, что в анатомии мухи и слона нет вообще ничего общего и «приказ» отдают разные гены.

После эксперимента с подсадкой гена мыши мухе Вальтер Геринг пришел к выводу, что главная генетическая программа построения глаза сохранилась в геноме животных еще со времен общего предка позвоночных и членистоногих — более 600 миллионов лет назад. Раньше считалось, что по большому счету эволюция животных началась только в кембрийском периоде (542 миллиона лет назад), а до этого жили только животные типа медуз и простые существа, у которых не было ни глаз, ни сосудистой системы. Кембрийским периодом датируется большое количество ископаемых остатков как предков позвоночных, так и предков членистоногих. Окаменелости прапредка двух ветвей эволюции еще не найдены, но эводево предсказывает его существование.

Надежда на свет

В последние годы эво-дево переживает волну внимания не только биологов, но и широкой публики. В отличие от не совсем понятной людям нанотехнологии у эво-дево есть яркие достижения в виде лабораторных монстров, информации о далеком прошлом жизни на Земле и очевидных приложений в области медицины, пусть даже и в неопределенном будущем. Научно-популярные книги про эво-дево стали бестселлерами, о ней уже пишут в учебниках биологии для американских колледжей. Но главное, эта магия XXI века обещает помощь страдающим людям, — считает Вальтер Геринг, открыватель «глазного» гена Pax-6. Оказывается, Pax-6 (и связанный с ним ген Notch) не только «включает» формирование глаза у эмбриона, но и участвует в восстановлении тканей глаза при повреждении. В пожилом возрасте этот ген часто выключается, что приводит к разрушению тканей. Если научиться включать Pax-6, то миллионы людей смогут избежать слепоты в старости. Или — рак. Раковые опухоли возникают не просто так: они начинаются с поломки регулирующих генов, что приводит к неконтролируемому делению клетокмутантов. Ученые надеются, что эво-дево сможет понять, как «выключить» этот пагубный процесс.

_____________
1 EVO-DEVO — evolutionary developmental biology или эволюционная биология развития.
2 GPS — global positioning system, спутниковая навигационная система.
3 Тритоны — хвостатые земноводные.
4 За это и другие открытия Ханс Шпеманн получил в 1935 году Нобелевскую премию.
5 ZPA — zone of polarizing activity, зона поляризационной активности.
6 Рэндал Дан работал в лаборатории Нила Шубина, одного из палеонтологов, обнаруживших в Арктике остатки доисторической рыбы с пальцами, жившей 375 миллионов лет назад.

http://community.livejournal.com/ru_biology/129133.html#cutid1