Более того, ставший видимым порядок действия генов развития животных оказался абсолютно логичным. Как при строительстве зданий, где есть определенная последовательность работ (закладка фундамента, возведение несущих стен и балок, укладка полов, размещение основных труб, проводов и перегородок), так и при сборке животного сначала выстраивается общий план и лишь в конце прорабатываются детали. Логика этого процесса объясняет, как мутации генов развития могут привести к появлению ужасных монстров. Если какая-то стадия работы пропущена, все зависящие от нее стадии протекают не так, как положено.
Я уже говорил, что функции отдельных генов развития легко понять, если проследить за их работой, и привел множество простых примеров. Однако создание целого животного — это действительно сложный процесс. Эта сложность является результатом одновременного и последовательного действия многих генов развития — десятков генов, работающих в одном и том же месте в одно и то же время, значительно большего числа генов, действующих в одно и то же время в разных местах, и сотен генов, действующих последовательно по ходу развития эмбриона. Именно цепи параллельных и последовательных операций позволяют создать сложный организм.
Теперь, когда вы пристально рассмотрели работу генов развития, имеет смысл задуматься о цепочках, которые образуют работающие гены. Как отдельные звенья цепи связаны между собой? Откуда гены узнают о том, в каком порядке, где и когда им следует включаться?
В создании животного принимает участие еще одна группа генетических невидимок — маленьких ДНК-устройств, определяющих время и место активации генов. В следующей главе я расскажу об этих удивительных маленьких устройствах в геноме, которые определяют изумительный рисунок экспрессии генов, связывают между собой цепи генов развития и обеспечивают сложность и разнообразие строения животных.
Темная материя Вселенной и генома. Вверху: фотография галактического кластера CL0024+1654; темная материя выглядит как мутное пятно в центре снимка. Внизу: микрочип, содержащий геномную ДНК дрозофилы; светлые пятна соответствуют ДНК, кодирующей различные гены, темные пятна соответствуют некодирующей ДНК. Верхняя фотография предоставлена Европейским космическим агентством, NASA и Жан-Полем Крейбом (обсерватории Миди-Пиренеи (Франция)/Калтех (США)). Нижняя фотография предоставлена Томом Джинджерсом и компанией Affymetrix.
Глава 5. Темная материя генома: инструкции к набору генов развития
Со звездного неба до нас доходит лишь слабый свет. Но чего бы достигла человеческая мысль, если бы мы не могли видеть звезды?
Жан Перрен
Представьте себе на минуточку процесс развития с позиции эмбриона: какая именно работа стоит за всеми клеточными делениями и перемещениями, за созданием зародышевых листков, сегментов и частей тела. Мы только что увидели логические стадии процесса развития, но где инструкции для выполнения каждой стадии? Почему широкие полоски образуются раньше узких, а положение одних костей определяется раньше положения других? И почему одни кости длинные и тонкие, а другие короткие и толстые? Откуда гены развития знают, где и когда им следует включаться, чтобы сформировать эмбрион? Где хранятся инструкции по работе генов развития?
Чтобы ответить на эти вопросы, я вынужден сделать два опасных шага. Во-первых, в поисках аналогии я обращусь к космологии. Риск заключается в том, что я очень мало знаю об исследованиях Вселенной, но все же мне ясно, что в устройстве Вселенной и устройстве генома есть нечто общее. Во-вторых, затем мне придется соединить эту аналогию еще с одной. Оправданием для такой авторской вольности является то, что в этой главе содержится наиболее сложная, но при этом и наиболее важная в концептуальном смысле информация. Так что потерпите, пожалуйста.
На протяжении большей части своей истории астрономия имела дело только с тем, что можно было разглядеть в небе — сначала невооруженным глазом, потом — с помощью все более сложных телескопов. Как правило, мы все лучше и лучше понимаем то, что видим (образование звезд, структуру галактик и коллапсирование солнц), но совсем недавно астрономы осознали, что лишь малая доля материи Вселенной видима (то есть излучает свет или другие волны). Поведение некоторых видимых объектов, таких как галактики, определяется влиянием более обширной, невидимой "темной материи" и "темной энергии".
Аналогия с генетикой состоит в том, что на протяжении десятилетий, благодаря простоте генетического кода, мы могли видеть в геноме только "звезды" и знали, в каком месте генома закодирован тот или иной ген. Но теперь и мы осознали, что в геномах большинства животных на долю генов, которые мы видим, приходится лишь малая часть ДНК. Преобладающая часть ДНК представляет собой последовательности, в которых не закодировано никаких генов и функцию которых нельзя определить просто путем прочтения их нуклеотидной последовательности. Это "темная материя" генома. Точно так же, как темная материя во Вселенной управляет поведением видимых тел, так и темная материя генома контролирует время и место использования конкретных генов.
Эта глава целиком посвящена темной материи в ДНК, а также тому, как она дает инструкции для работы генов развития, обеспечивающие разметку и формирование частей тела. Эти инструкции встроены в темную материю ДНК в виде генных переключателей (моя вторая аналогия). Возможно, раньше вы никогда о них не слышали. Ни в научной среде, ни в прессе они не вызвали того интереса, которого заслуживают. Но дело, скорее всего, не в их значении, а в том, как трудно их обнаружить и понять, как они работают. Лишь сравнительно недавно молекулярные биологи смогли заглянуть в темноту и исследовать расположение и функции переключателей. Самое удивительное и важное свойство генных переключателей — это способность контролировать наиболее тонкие моменты в работе отдельных генов развития. Анатомия тел животных в буквальном смысле закодирована и выстраивается — кусочек за кусочком, полоска за полоской, косточка за косточкой — созвездиями переключателей, распределенными по всему геному.
Переключатели — главные действующие лица в обоих обсуждаемых нами процессах, в развитии и в эволюции. Именно переключатели создают удивительные картины экспрессии генов, о которых мы говорили в предыдущей главе. Переключатели содержат уникальные для каждого вида животного инструкции, позволяющие создавать разных животных с помощью одного и того же набора генов развития. Недаром эти "горячие точки" эволюции так восхищали Киплинга — ведь именно переключатели создали пятна, полосы, горбы и прочее. Отчасти программисты, отчасти художники, эти фантастические устройства переводят географию эмбриона на язык генетических инструкций для создания трехмерной формы.
Вглядываемся в темноту
В космологии, биологии, а также в других науках существование отдельных элементов определяют либо напрямую — путем наблюдения, либо косвенно — путем изучения влияния этих элементов на другие, которые легче увидеть или измерить. Все доказательства существования темной материи во Вселенной являются косвенными и основаны на измерении скоростей движения и вращения галактик. Из этих данных ученые заключили, что внутри галактик должна существовать некая значительная масса, которую нельзя увидеть. Астрономы и физики до сих пор не знают точно, из чего состоит эта темная материя.
