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

В эволюционных превращениях могут играть роль два типа изменений генома. Во-первых, при изменении генов могут возникать новые белки. Из-за мутации в последовательности оснований А, Т, G и С может меняться аминокислотная последовательность белка. Если мутация ДНК приводит к замене аминокислоты, может получиться новый белок. Это происходило со многими важными генами и белками организма, такими как гены гемоглобина, которые изучали Цукеркандль и Полинг. Важно понять, что подобное изменение способно затронуть все отделы организма, в которых синтезируется данный белок.

Во-вторых, изменения в геноме могут коснуться переключателей, контролирующих активность генов. После публикации работы Боба Хилла сотрудники лаборатории в Беркли попытались понять, участвовал ли переключатель гена Sonic hedgehog в эволюции конечностей. Они начали со змей – по той причине, что у них вовсе нет ног. Когда из генома змеи вырезали участок, содержащий этот переключатель, и встроили его в геном мыши, в конечностях мыши перестали формироваться пальцы. Со временем стало понятно, что у змей произошли мутации этого переключателя, в результате чего у них исчезли конечности. У змей совершенно нормальный белок Sonic hedgehog, поскольку у них нормальное сердце, спинной мозг и головной мозг. Изменение переключателя, действующего в конечностях, привело к изменению активности гена только в конечностях.

Этот генетический трюк позволяет понять общие механизмы революций в эволюции. Как показывают результаты исследований последних полутора десятков лет, оказывается, за эволюцией таких разнообразных органов и признаков позвоночных и беспозвоночных животных, как череп, конечности, плавники, крылья, форма тела червей и многое другое, стоят изменения переключателей, контролирующих активность генов. Постепенно выясняется, что эволюционные преобразования в меньшей степени связаны с изменением самих генов, чем с изменением времени и места их активности в процессе развития.

Генетик из Стэнфордского университета Дэвид Кингсли почти двадцать лет изучал трехиглых колюшек – мелких рыб, обитающих в морях и пресных водоемах по всему миру. Колюшки бывают очень разными: у одних четыре плавника, у других два, кроме того, они различаются окраской и формой тела. Благодаря такому разнообразию колюшки – прекрасная модель, на которой можно изучать, как генетические изменения приводят к отличиям одних рыб от других. Используя геномные технологии, Кингсли смог обнаружить участки ДНК, отвечающие за большинство этих вариаций. Фактически все эти участки – переключатели, контролирующие активность генов. У рыб с двумя плавниками есть ген с очень сильно измененной активностью, который ингибирует активность другого гена, необходимого для формирования хвостового плавника. Кингсли показал, что это изменение связано не с самим геном, а с переключателем, контролирующим его активность. Догадайтесь, что произошло, когда он взял переключатель от рыбы с четырьмя плавниками и встроил его в геном рыбы, имеющей лишь два плавника? Он восстановил хвостовые плавники, произведя мутанта с четырьмя плавниками от родителей с двумя.

Теперь у нас есть технология, позволяющая просканировать весь геном в поисках конкретных генов и их регуляторных последовательностей. Регуляторные последовательности разбросаны повсюду: одни находятся поблизости от генов, другие могут быть далеко, как в случае Sonic hedgehog. Активность одних генов находится под влиянием нескольких регуляторных последовательностей, активность других подчиняется лишь одной. Но вне зависимости от того, сколько этих регуляторных последовательностей и где они находятся по отношению к генам, в молекулярном механизме их действия есть определенная элегантность и даже волшебство.

Новые микроскопы, с помощью которых можно разглядеть молекулы ДНК, также позволяют наблюдать, что происходит при включении и выключении генов.

При активации гена на молекулярном уровне разыгрывается подвижная игра. Неактивные участки генома плотной спиралью обернуты вокруг других молекул и упакованы внутри ядра. Эти участки “выключены” и сравнительно инертны. Прежде чем участок ДНК активируется, он должен развернуться и раскрыться, чтобы появилась возможность синтезировать белок.

Но это только первые шаги в хореографической постановке с включением и выключением генов. Чтобы ген стал активным, его переключатель должен прийти во взаимодействие с другими молекулами и связаться с прилежащей к гену областью ДНК. После этого на основе гена начинает синтезироваться белок. Для активации Sonic hedgehog его переключателю нужно преодолеть очень большое расстояние. Вот основные фигуры танца, исполняемого при активации гена: участок генома раскрывается, высвобождая ген и его регуляторную последовательность, отдельные части взаимодействуют друг с другом, синтезируется белок. Так происходит синтез всех белков во всех клетках.