Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК

Любой человек, пытавшийся разыскать улетевшую в ветреный день самодельную ракету, знает, что можно потратить уйму времени на поиски в непосредственной близости от старта, тогда как искать нужно вдалеке. Хилл, Леттис и другие исследователи начали прочесывать весь геном, пока наконец не обнаружили сигнал. Фрагмент встроился почти в миллионе оснований от последовательности гена Sonic hedgehog. Иными словами, между местом мутации и геном Sonic было гигантское расстояние. Подозревая, что это ошибка, исследователи повторили эксперимент и вновь проанализировали результаты. Но что бы они ни делали, результаты оставались такими же. Маленький участок ДНК на расстоянии миллиона оснований от гена каким-то образом контролировал его активность. Представьте себе, что выключатель от лампы в комнате в Филадельфии находится на стене гаража в пригороде Бостона.

Может ли быть, что изменения в этом отдаленном участке стали причиной появления дополнительных пальцев? Исследователи нашли столько людей и кошек с шестью пальцами, сколько смогли (пациентов с полидактилией из Голландии, мальчика из Японии и даже кошек Хемингуэя), и проанализировали их ДНК. И в каждом случае они обнаружили небольшую мутацию в этом самом участке, отстоящем на миллион оснований от гена Sonic hedgehog. Каким-то образом небольшая мутация в другой части генома вызывала изменение активности Sonic, активизируя его действие во всей конечности, что приводило к появлению дополнительных пальцев рук и ног.

Определив последовательность букв А, Т, С и G в этом участке, ученые обнаружили, что она весьма специфическая. Длина участка составляет около полутора тысяч оснований, и его последовательности сопоставимы у разных организмов. У людей и у мышей он располагается в одном и том же месте – примерно в миллионе оснований от гена. То же самое наблюдается у лягушек, ящериц и птиц. Эта последовательность есть у всех существ с конечностями и даже у рыб. Она есть у лосося, есть у акулы. Все существа, у которых ген Sonic hedgehog задействован в развитии конечностей, будь то ноги или плавники, имеют такой контрольный участок на расстоянии почти миллиона оснований от гена. Через этот странный пример организации генома природа сообщала исследователям нечто важное.

Меняем рецепты

На первый взгляд удивительно, что кошки и люди с полидактилией вообще родятся живыми. В процессе эмбрионального развития ген Sonic hedgehog контролирует не только рост конечностей. Этот важный регуляторный ген контролирует развитие сердца, спинного и головного мозга, а также половых органов. Его можно сравнить с универсальным инструментом, который используется для формирования многих органов и тканей. Поэтому мутация Sonic hedgehog должна была бы затрагивать все структуры, в которых он проявляет активность: у мутантов, среди прочего, наблюдались бы повреждения спинного мозга, сердца, конечностей, лица и половых органов. Так какое же существо может родиться в случае мутации этого гена? Поскольку мутация Sonic hedgehog приводит к деформации множества тканей, ответ на этот вопрос кажется очевидным: мертвое.

Однако механизм контроля активности Sonic hedgehog в процессе развития позволяет избежать такого исхода. Каким образом? Мутации в участке ДНК, ответственном за регуляцию развития конечностей, затрагивают только конечности. Вот почему люди с полидактилией, вызванной этой мутацией Sonic hedgehog, имеют нормальное сердце, спинной мозг и другие структуры: переключатель, контролирующий активность гена, специфичен для каждой конкретной ткани, и другие ткани не затрагиваются.

Представьте себе дом с множеством комнат, в каждой из которых есть своя независимая батарея. Изменение температуры котла в бойлерной повлияет на температуру во всех комнатах, но поворот ручки термостата в одной комнате повлияет только на температуру в этом конкретном помещении. Такая же ситуация наблюдается в отношении генов и их регуляторных последовательностей. Как изменение температуры котла повлияет на температуру во всем доме, так изменение гена и кодируемого им белка может повлиять на все тело. Общее изменение привело бы к катастрофе и тупиковым ветвям эволюции. Но в каждой ткани есть собственная регуляторная последовательность, и поэтому, как переключение терморегулятора в отдельной комнате, изменения в одном органе не вызывают изменений в других. Такие мутанты жизнеспособны, и эволюция может продолжаться.