За время изучения биологии в университете эти мушки стали для нас чем-то вроде домашних питомцев. На практических занятиях по генетике мы работали именно с ними, скрещивая разные породы: мушек с длинными крыльями и мушек с короткими крыльями, мушек с белыми глазами и мушек с красными глазами. У некоторых дрозофил тело коричневое, а у других – желтое. Это идеальные создания для изучения связи между генами и внешними признаками, или, говоря по-научному, – между генотипом и фенотипом.
Плодовые мушки дрозофилы известны своим огромным вкладом в генетику. Все началось на заре ХХ века в лаборатории Колумбийского университета. В 1909 году специалист по эволюционной биологии Томас Хант Морган, которому до смерти надоело заниматься выяснением механизмов регенерации червей и эмбрионального развития лягушек, обратился к изучению наследственности, используя в качестве модели скромных, незаметных дрозофил. Морган получал мух-мутантов, и некоторые мутации передавались по наследству, проявляя менделевское расщепление – классическое соотношение доминантных и рецессивных фенотипов 3:1. За несколько десятилетий до того, как были расшифрованы молекулы, кодирующие гены, Морган своими работами доказал, что ведущую роль в передаче наследственной информации играют хромосомы и что гены располагаются вдоль хромосом в линейной последовательности. За свои пионерские работы Морган в 1933 году был удостоен Нобелевской премии, а дрозофилы с тех пор надолго застолбили свое привилегированное место в генетических лабораториях.
В 1970-х годах генетики научились секвенировать гены, используя для этого хроматографию. После этого были разработаны методы флуоресцентного мечения строительных блоков ДНК и процесс определения последовательности этих строительных блоков в ДНК был автоматизирован. Я однажды снялась в фильме, посвященном работе лаборатории, занимающейся секвенированием ДНК, и телевизионщики были очень недовольны процессом работы, который оказался невероятно скучным: лаборатории битком набиты белыми ящиками, стоящими на полках, и процесс определения последовательности блоков ДНК протекает именно в них, оставаясь невидимым для посторонних глаз, и проходит без участия человека, в автоматическом режиме.
Когда последовательность генов дрозофилы была полностью выяснена, плодовая мушка неожиданно выдала поразительную генетическую тайну. Дело в том, что одна группа мух-мутантов всегда особенно интересовала генетиков. У этих мутантов наблюдали смещение частей тела: иногда брюшные сегменты оказывались в области головогруди, или у мутантов было два набора крыльев вместо одного, или ноги росли из головы вместо привычных антенн. В конце XIX века английский эмбриолог Уильям Бейтсон ввел термин для обозначения трансформации одной части тела в другую: гомеозис. Генетики занялись мутациями ДНК, вследствие которых появлялись столь необычные особи, и обнаружили «гомеозисные гены», которые управляют образованием и дифференцировкой определенных сегментов и в эмбрионах нормальных особей. В экспериментах, по ходу которых у мутантов удаляли все гомеозисные гены, в результате получались странные личинки с совершенно одинаковыми сегментами. Особенно интересно было выяснить положение этих генов в ДНК дрозофилы. Большинство генов разбросаны по геному совершенно случайным образом, и даже те гены, которые работают в тесном согласии друг с другом, могут располагаться даже в разных хромосомах. Но гомеозисные гены всегда расположены на одной хромосоме, причем в той же последовательности, как и кодируемые ими фенотипические признаки, – они проявляются в определенной последовательности по длине тела от головы до хвоста.
Гомеозисные гены преподнесли генетикам еще один сюрприз: когда гены были секвенированы, то оказалось, что каждый из них содержал одну идентичную короткую последовательность ДНК, включавшую около 180 пар оснований. Эту последовательность назвали «гомеобоксом», или сокращенно Hox-генами. Эти гены являются «контролирующими», они направляют деятельность других генов. Гомеобокс играет решающую роль в этом контроле – он кодирует белок, способный связываться с молекулой ДНК.
Однако подлинный сюрприз заключался в том, что гены Hox не только контролируют проявления фенотипических признаков у мух-дрозофил. Эти гены присутствуют в геномах всех насекомых и даже всех членистоногих. Есть эти гены и у червей. Более того, эти гены присутствуют у всех животных с сегментированным строением тела, включая и позвоночных. Это говорит о невероятной древности Hox-генов: наш последний общий с дрозофилами предок с этими генами жил около 800 миллионов лет назад. И хотя плодовые мушки дрозофилы – наши очень отдаленные родственники, все же основной план строения нашего тела также определяется Hox-генами на эмбриональной стадии развития.
Сходные Hox-гены контролируют строение сегментов тела у плодовых мушек и у человеческого эмбриона
У дрозофил и у других насекомых только один набор Hox-генов; их восемь, и они располагаются в один ряд, следуя друг за другом. Наш старый знакомец ланцетник обладает кластером из четырнадцати Hox-генов; однако дупликация (удвоение) отрезков генома у различных групп позвоночных привела к образованию нескольких таких кластеров. У млекопитающих таких кластеров четыре, и располагаются они в разных хромосомах.
Древность Hox-генов была подтверждена в 1986 году, когда группе ученых удалось расшифровать первый большой кластер этих генов у позвоночных. Было обнаружено, что порядок расположения генов зеркально отражает последовательность сегментов тела позвоночного животного – точно так же, как у плодовых мушек. Один из исследователей показал схожесть Hox-генов у позвоночных и беспозвоночных, чем подтвердил, что Hox-гены были унаследованы животными обоих типов от очень древнего общего предка. В 1990-х он доказал, что похожие гены отвечают за морфологическое строение конечностей. Этим ученым был швейцарский специалист по биологии развития Дени Дюбуль, и в январе 2013-го я побывала у него в гостях, в его доме в Женеве.
Мы встретились в его кабинете, расположенном в углу скромной бетонной башни – одного из корпусов Женевского университета. Из окна открывался вид на центр Женевы, обрамленной заснеженными горами. Ландшафт из низких строений (высота зданий в Женеве ограничена законом) оживлялся высокой, облицованной стеклом телевизионной башней.
Большой стол был уставлен разнообразными научными диковинками, включая скелет опоссума (он очень похож на скелет мартышки, если не считать, что у сумчатого животного не замкнуто костное кольцо глазницы, а в области таза есть дополнительная кость); скелет змеи, уложенный в стеклянный эксикатор; несколько сосудов со скелетами мышиных эмбрионов – ализарином были в красный цвет окрашены кости, а метиленовой синью – хрящи; на подставке красовался скелет лягушки, а в высоких цилиндрах я увидела заспиртованных животных – рыб и ящериц.
К стене была подвешена весьма оригинальная скульптура, элементы которой я тотчас узнала. Думаю, что каждый биолог в мире хотя бы раз в жизни получал в качестве непрошеного подарка экземпляр печально известного «Атласа творения» Харуна Яхья [11]. Свой экземпляр я получила, работая в Бристольском университете. Это объемистый том, украшенный великолепными, просто роскошными иллюстрациями, в котором четко и последовательно проводится мысль о ложности теории эволюции. Одно из доказательств звучит так: если в наше время на Земле живут существа, похожие на ископаемых животных, то это значит, что Дарвин ошибался. В книге преднамеренно искажается теория эволюции посредством естественного отбора, но тем не менее она производит неизгладимое впечатление качеством печати и богатым переплетом, и поневоле приходишь в ужас при мысли о гигантских суммах, потраченных на печать и распространение этого опуса. Мой экземпляр долго лежал у меня на столе. Я использовала его как пресс для бумаг некоторое время, потом стала заменять им скамеечку для ног, и в конечном счете отправила в специальный контейнер для макулатуры.
