Монстры среди дрозофил
Монстры могут помочь нам в изучении законов развития только в том случае, если у нас есть постоянный источник аномальных особей, которых можно выводить в лабораторных условиях и чьи потомки имеют те же признаки. В 1915 г. генетик Кэлвин Бриджес получил первого способного к размножению гомеозисного мутанта плодовой мушки Drosophila melanogaster, которая тогда только начинала завоевывать популярность у генетиков как объект исследований. Бриджесу удалось найти спонтанную мутацию, в результате которой маленькие задние крылья дрозофилы становились похожими на крупные передние крылья. Он назвал этого мутанта Bithorax. Впоследствии среди дрозофил были идентифицированы и другие гомеозисные мутанты. Например, у мутанта Antennapedia вместо антенн на голове ноги (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Гомеозисный мутант дрозофилы. Слева: голова нормальной дрозофилы. Справа: голова дрозофилы с мутацией Antennapedia, у которой антенны превратились в ноги. Фотографии предоставлены Руди Тернером, Университет Индианы.
Удивительно, что у этих гомеозисных мутантов одна структура полностью превращается в другую. Дело не в том, что процесс развития задерживается или нарушается, а в том, что изменяется судьба целой структуры, которая формируется в неправильном месте или состоит из неправильного количества частей. Важно то, что происходит замена одного сериального гомолога на подобие другого (антенны заменяются ногами, передние крылья задними). Кроме того, особенность подобных превращений заключается в том, что они возникают из-за мутации всего-навсего одного гена. У дрозофилы мутации лишь нескольких гомеозисных генов приводят к появлению гомеозисных форм, и это означает, что за дифференцировку сериально гомологичных частей тела у этих животных отвечает небольшое число генов развития.
Исследование гомеозисных мутаций привело сначала к революции в эмбриологии, а потом — к революции в эволюционной биологии. Но чтобы понять значение этих мутаций, нужно понять механизм работы генов развития. Как отдельный ген может повлиять на формирование одной структуры и не оказать влияния на формирование другой? Что такое важное, оказывающее столь серьезное влияние на форму тела животного кодируют эти гены? Возможно, вы скажете: "Дрозофилы? А почему я вообще должен интересоваться дрозофилами?" Ответить на все эти вопросы помогут более глубокие знания о структуре ДНК и работе генов, а поэтому мы с вами познакомимся с некоторыми удивительными открытиями, касающимися строения генома различных животных.
Шуточная иллюстрация к знаменитому изречению Жака Моно. Масштабный отрезок составляет 1 микрометр (слева) и 1 метр (справа). Рисунок предоставлен доктором Саймоном Сильвером, Университет Иллинойса, Чикаго.
Глава 3. От E. coli до слона
Что верно для Е. coli, верно и для слона.
"Мы хотим предложить структуру для соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура обладает новыми свойствами, представляющими значительный интерес для биологии". Такими словами начиналась статья, в которой в 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик сообщили об открытии строения генетического материала. ДНК — это универсальный носитель информации во всех шести царствах организмов — бактерий, архей, простейших, грибов, растений и животных. Примерно через десять лет был разгадан еще один универсальный принцип организации живого — генетический код. Но, может быть, остались неоткрытыми другие универсальные закономерности? Клетки, ткани и органы (если они есть) представителей разных царств очень сильно различаются по важным параметрам. Внутри каждого царства тоже существует значительное разнообразие — например, к животным относятся как малюсенькие планктонные организмы, так и гигантские млекопитающие, морские и наземные. Классификация организмов, выводы о том, похожи они или не похожи друг на друга, в значительной мере основаны на их внешности. Поэтому бытует мнение, что чем сильнее животные различаются по внешнему виду, тем меньше между ними общего на генетическом уровне.
К концу этой главы вы поймете, что такая точка зрения не всегда справедлива. В этой главе нас ждет множество неожиданностей. Вы узнаете несколько историй о важных (и прекрасных!) открытиях, которые изменили наше представление об эволюции животных. Вы узнаете о глубоких и неожиданных связях между разными формами. Я начну с короткого рассказа об одной бактерии и на ее примере изложу основные законы генетики. Затем мы перейдем к более сложным созданиям, познакомимся с гомеозисными генами плодовой мушки и в конце концов охватим все царство животных.