Ген. Очень личная история

Но и у этих генов должны были быть повелители. Как второй сегмент мушиной груди может знать, что он именно грудной, а не брюшной? И как голова понимает, что она не хвост? Каждому сегменту задается положение на оси, которая тянется от головы до хвоста. Голова работает подобно внутренней системе позиционирования, и положение относительно головы и хвоста дает каждому сегменту уникальный адрес в эмбрионе. Но как зародыш выстраивает свою основополагающую, первичную асимметрию, то есть противопоставление «головного» и «хвостового»?

Во второй половине 1980-х Нюслайн-Фольхард со своими студентами начала анализировать поколение мутантных мух, в котором эмбрионы вообще утрачивали телесную асимметрию. Развитие этих зародышей – часто безголовых или бесхвостых – останавливалось задолго до сегментации и тем более формирования органов. У некоторых головной конец деформировался, у других был совершенно неотличим от хвостового: получались странные «зеркальные» эмбрионы, самый примечательный из которых получил название bicoid (буквально – «двухвостый»). У этих мутантов явно не хватало какого-то химического фактора, определяющего различия переднего и заднего концов тела. В 1986-м студенты Нюслайн-Фольхард провели поразительный эксперимент. Они научились миниатюрной иглой извлекать капельку жидкости из головы нормального эмбриона и переносить ее в безголового мутанта. Удивительно, но клеточная хирургия работала: этой капельки хватало, чтобы заставить эмбрион выращивать голову на месте хвоста.

В серии новаторских работ, опубликованных с 1986 по 1990 год, Нюслайн-Фольхард и ее коллеги окончательно определили несколько факторов, сигнализирующих о необходимости «головной» или «хвостовой» дифференцировки. Сейчас мы знаем, что минимум восемь таких факторов – преимущественно белков[580] – зрелая муха производит и асимметрично размещает в яйцеклетке при ее формировании. Поскольку за весь процесс отвечает будущая мать, эти вещества назвали материнскими факторами. Неравномерное их распределение обеспечивается тем, что сама яйцеклетка внутренне поляризована, и одни вещества откладываются в «головном» ее конце, а другие – в «хвостовом».

Белки, таким образом, формируют в яйце концентрационный градиент. Как в случае с диффузией сахарозы из кубика сахара в кофе, высокие их концентрации наблюдаются у одного полюса яйца, а низкие – у другого[581]. Движение химического вещества через белковый матрикс может даже напоминать проникновение сиропа в овсянку: при этом формируются характерные трехмерные узоры. В зависимости от локальной концентрации тех или иных факторов избирательно активируются те или иные гены, что позволяет заложиться передне-задней оси и иным элементам плана тела.

Этот процесс бесконечно рекурсивен – как история о первичности курицы или яйца. Мухи с головами и хвостами производят яйцеклетки с головами и хвостами, которые производят эмбрионы с головами и хвостами, из которых вырастают мухи с головами и хвостами – и так далее до бесконечности. А на молекулярном уровне это выглядит так. На ранней стадии развития эмбриона белки, кодируемые геномом матери, концентрируются в той или иной его части. Они активируют или подавляют специфические гены, определяя таким образом передне-заднюю ось зародыша. Те гены, в свою очередь, активируют «гены-картографы», которые обеспечивают закладку сегментов и разделение тела на крупные домены. Картографы активируют или подавляют гены, определяющие – тоже путем активации и подавления подопечных им генов – специализацию сегментов, развитие органов и иных структур[582].

Развитие человеческого эмбриона, видимо, тоже проходит в три подобных организационных этапа. Как и у мухи, в начале эмбриогенеза гены «материнского эффекта» с помощью химических градиентов организуют зародыш по трем основным осям: голова – хвост, спина – живот, правая сторона – левая сторона. Затем череда аналогов мушиных генов сегментации инициирует разделение эмбриона на его главные структурные части: головной мозг, спинной мозг, скелет, кожу, пищеварительный тракт и так далее. И наконец, гены, санкционирующие построение органов и частей тела, обеспечивают формирование конечностей с пальцами, глаз, печени, почек и легких.

«Грех ли делает гусеницу куколкой[583], куколку – бабочкой, а бабочку – прахом?» – задался в 1885 году вопросом немецкий теолог Макс Мюллер. Спустя век биология предложила ответ: не грех то вовсе, а шквал активации генов.

В классической детской книжке Лео Лионни[584] «Дюйм за дюймом» малиновка сохраняет жизнь червячку, потому что тот предлагает ей свое тельце ровно в дюйм в качестве мерила для оценки размеров «всяких штуковин». Червячок измеряет хвост малиновки, клюв тукана, шею фламинго и ноги цапли – мир птиц таким образом получает своего первого сравнительного анатома.