Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Подход Мелани Ли, сотрудницы моей лаборатории, к этому трудному вопросу состоял в том, что она предприняла попытку обнаружить человеческий ген, действовавший аналогично гену cdc2 в делящихся дрожжах. Для этой цели Мелани взяла клетки делящихся дрожжей с дефектом cdc2, из-за чего они не могли делиться, и «обрызгала» их генной «библиотекой» из многих тысяч частей человеческой ДНК, содержащих по одному человеческому гену. Условия эксперимента Мелани гарантировали, что мутантная дрожжевая клетка забирает один или два гена. Если бы случилось так, что один из этих генов был человеческим эквивалентом гена cdc2, и если бы он функционировал одинаково в человеческой и дрожжевой клетке, и если бы человеческий ген cdc2 смог проникнуть в дрожжевые клетки, то тогда мутантные клетки cdc2 могли бы заново восстановить способность к делению. Если бы все так и пошло, они должны были бы образовать колонии, которые Мелани увидит в чашке Петри. Вы, вероятно, заметили, что в этом плане было несколько «если». Думали ли мы, что эксперимент удастся? Скорее всего, нет, но попытка не пытка.

И… невероятно, но это сработало! Колонии росли в чашке Петри, и нам удалось выделить участок человеческой ДНК, успешно заместившей ген cdc2, жизненно необходимый для деления дрожжевых клеток. Мы секвенировали данный неизвестный ген и увидели, что последовательность производимого белка очень похожа на дрожжевой cdc2-белок. Мы явно наблюдали два варианта одного гена с высокой степенью релевантности. Они были столь сходны, что человеческий ген мог контролировать клеточный цикл дрожжей.

Этот нежданный результат натолкнул нас на далеко идущие выводы. Учитывая, что делящиеся дрожжи и люди столь далеко разнесены в эволюции, имелась высокая вероятность, что у клеток каждого животного, гриба и растения на планете цикл контролируется одинаково. Почти наверняка все обусловлено действием некоего гена, очень сходного с геном cdc2 дрожжей. И, что существеннее, даже если эти разные организмы за миллиарды лет эволюционного времени постепенно развивались в бесчисленно многообразные формы и стили жизни, центр управления этим процессом, лежащим в основе всего, почти не изменился. Cdc2 – эволюционное нововведение, которое сохранилось на протяжении более миллиарда лет.

Все это укрепило мое убеждение, что знания о том, как клетки человека контролируют свой процесс деления, крайне важные для понимания того, как изменяются наши тела, пока мы растем, развиваемся, страдаем от болезней и деградируем в течение нашей жизни, могут быть получены благодаря исследованиям, проводимым на широком спектре живых организмов, включая простые дрожжи.

Естественный отбор происходит не только в ходе эволюции, но и на уровне клеток в нашем теле. Рак возникает при повреждении или перегруппировке генов, имеющих важное значение для роста и деления клеток, вследствие чего клетки начинают бесконтрольно делиться. Подобно эволюции в популяции организмов, такие предраковые или раковые клетки могут, если им удалось ускользнуть от защитных функций тела, постепенно завладеть популяцией неизменившихся клеток, которые составляют ткань. По мере роста популяции поврежденных клеток увеличивается вероятность дальнейших генетических изменений в этих клетках, что приводит к накапливанию генетических дефектов и образованию все более агрессивных раковых клеток.

Эта система содержит три особенности, требующиеся для эволюции путем естественного отбора: репродуктивность, систему наследования и способность к изменчивости. Парадоксально, что те же самые обстоятельства, позволившие жизни человека эволюционировать, в первую очередь ответственны и за самые пагубные для человека заболевания. В более практическом смысле из этого следует, что популяционные и эволюционные биологи должны быть способны внести существенный вклад в наше понимание рака.

Эволюция путем естественного отбора может быть причиной большой сложности и явной целенаправленности живых существ. Это происходит безо всякого управляющего разума, заданной конечной цели или высшей движущей силы. Эволюция полностью обходится без аргументов, апеллирующих к божественному Создателю, вроде умозаключений Пейли с его воображаемыми карманными часами – и многих прочих до и после него. Лично меня эволюция погружает в состояние бесконечного изумления.