Помоги проекту - поделись книгой:
Так как однояйцевые близнецы развиваются из одной и той же клетки, то их цепочки ДНК полностью совпадают, то есть они естественные клоны друг друга. Если один из близнецов станет преступником, следователи не смогут их различить посредством анализа ДНК. Однако это можно будет сделать по отпечаткам пальцев, и виновного все же удастся определить.
Дело в том, что среда, окружающая плод в матке, влияет на формирование узоров на кончиках пальцев. Близнецы лежат рядом, но в разных местах, и на их кончики пальцев воздействуют разные потоки с разным давлением. Кроме того, они могут развиваться со слегка различающейся скоростью, так как питательные вещества из плаценты распределяются неравномерно. Из-за этого между близнецами все-таки будут небольшие отличия, несмотря на то что их гены в точности совпадают.
Близнецы также могут родиться, если у мамы вдруг высвободятся две яйцеклетки вместо одной и каждая из них будет оплодотворена отдельным сперматозоидом. Такие близнецы называются разнояйцевыми, и их цепочки ДНК совпадают не более, чем у обычных братьев и сестер. Вместе с тем у них есть и свои особенности.
Судя по всему, близнецы, находясь в утробе, обмениваются между собой клетками примерно так же, как мы передаем нашим матерям клетки, пока они нас вынашивают. Так, например, у них могут оказаться сразу две группы крови, одна из которых их собственная, а вторая досталась от соседа по материнской утробе.
ИНТЕРЕСНО
Среда, окружающая плод в матке, влияет на формирование узоров на кончиках его пальцев.
Что касается меня, то, насколько мне известно, у меня нет близнеца. Однако, возможно, он был, просто нам так и не суждено было встретиться. В очень редких случаях два клеточных скопления объединяются обратно, прежде чем успеют сформироваться два отдельных организма. Если такое произойдет с разнояйцевыми близнецами, то ребенок родится с двумя наборами ДНК и будет называться химерой. Не во всех его клетках будут одни и те же цепочки ДНК, некоторые из них будут нести цепочки ДНК несостоявшегося близнеца. Как правило, заметить это невозможно, однако порой данное явление приводит к весьма абсурдным ситуациям, с одной из которых столкнулась Лидия Фэйрчайлд из Вашингтона. В 2002 году она вынашивала своего третьего ребенка и подала заявку на алименты. От нее и ее бывшего парня потребовали анализ ДНК для подтверждения, что это действительно их совместный ребенок. Как и ожидалось, анализ подтвердил, что ее бывший был отцом малыша. Казалось бы, все хорошо, но проблема была в том, что согласно результатам анализа ДНК Лидия не была матерью этого ребенка. Фэйрчайлд грозили обвинения в мошенничестве и лишение родительских прав. Суд вызвал свидетеля, присутствовавшего на родах третьего ребенка. Были проведены дополнительные анализы крови. Вместе с тем анализ ДНК однозначно говорил о невозможном: она не является матерью рожденного ею малыша. Как такое вообще было возможно? Неужели анализ дал ошибочный результат? Проблему удалось решить только после того, как у нее взяли образцы тканей разных частей тела. Во взятых прежде образцах кожи и крови содержались одинаковые цепочки ДНК, однако клетки, взятые из шейки матки, отличались: они несли в себе совершенно другую ДНК. Фэйрчайлд была химерой. Когда она была в материнской утробе, ее клетки слились с клетками ее близнеца. Вместо того чтобы каждому развиться в отдельный организм, близнецы слились воедино. Клетки, из которых развилась кожа, достались зародышу от одного близнеца, клетки, из которых образовалась шейка матки с яйцеклетками, – от другого. Организм Фэйрчайлд был создан двумя близняшками, и она стала своему ребенку одновременно и матерью, и тетей.
Если у вас нет однояйцевого близнеца, то нет ни одного человека на свете, чья ДНК будет в точности совпадать с вашей. При слиянии сперматозоида и яйцеклетки образуется уникальный код. Вместе с тем тот участок, который выделяет вас среди всех, очень маленький, большая же часть рецепта одинакова для всех людей, и в наши дни ее можно запросто найти и посмотреть в Интернете. В рамках проекта «Геном человека» ученые составили карту всей ДНК человека – всех трех миллиардов букв, из которых она состоит. Чтобы по полученной расшифровке ДНК нельзя было отследить конкретного человека, анонимные доноры ДНК предоставили для исследования разные участки этого кода. Это был грандиозный проект, на который ушли несколько лет и сотни миллиардов долларов. Технологии, однако, развиваются с умопомрачительной скоростью, и сегодня для того, чтобы проделать то же самое, достаточно примерно 1500 долларов. Если же вас устроит приблизительное исследование, то оно обойдется вам еще дешевле. Взяв у вас образец слюны, специализированная лаборатория уже через несколько дней сможет сообщить вам точные последовательности нуклеотидов А, Т, Ц и Г в вашей ДНК. В печатном виде эта формула заняла бы более 100 толстых томов. Читая со скоростью одна буква в секунду, вы потратили бы 95 лет, чтобы полностью изучить свой геном – только вот вряд ли вы узнали бы про себя что-то новое.
ИНТЕРЕСНО
В печатном виде формула вашей ДНК заняла бы 100 толстых томов, а на ее прочтение у вас ушло бы 95 лет.
Представьте себе книгу без единых точки, запятой или пробела. В некоторых ее местах текст написан задом наперед, причем безо всякого предупреждения, а вся она, страница за страницей, представляет собой абсурдную тарабарщину, состоящую из совершенно невразумительных предложений. Именно так и выглядит ваша ДНК. И посреди всего этого хаоса из миллиарда букв ученые выискивают слова и предложения, несущие в себе хоть какой-то смысл. Так, первым делом они обнаружили, что совершили чудовищную ошибку, предположив, что в ДНК человека содержится порядка 100 000 генов. На самом деле их оказалось значительно меньше. В ДНК человека – существа, которое изобрело компьютер, основало цивилизации и возвело тысячи городов, – всего около 20 500 генов. Приблизительно столько же у крошечной нематоды C. elegans, а у кукурузы даже больше – 33 000 генов. В действительности гены – это менее 2 % нашей ДНК. А что же тогда они делают на самом деле?
Глава 6
Контуры тела
В начале третьей недели скопление клеток, которое в скором времени станет вами, сплющивается и начинает растягиваться вдоль везикулы. В этот момент нет и намека на человеческое тело: вы похожи скорее на крошечную круглую тарелку, по обе стороны которой расположено по одному наполненному жидкостью мешочку. Один из них превратится в плодный мешок, который окружит вас, образовав стены маленького бассейна, где вы будете плавать следующие несколько месяцев. Другой станет желточным мешком, напоминающим круглый воздушный шар, веревка которого будет крепиться внутри вашего живота. Желточный мешок создаст первые клетки вашей крови – позже эту работу на себя возьмут печень, селезенка и костный мозг. В конечном счете, когда надобность в нем пропадет, он скукожится, став частью вашего кишечника.
У птиц и яйцекладущих животных основная роль желточного мешка заключается в обеспечении питательными веществами – у них же нет плаценты, чтобы через нее питаться, – так что он заполнен витаминами, минеральными веществами, жирами и белками. Если разбить куриное яйцо, то вы сразу заметите этот ярко-желтый желточный мешок. Вы также увидите белые нити, которые удерживают его в центре яйца. Если бы яйцо было оплодотворено, то из тонкого белого диска на поверхности желточного мешка постепенно развился бы цыпленок. Поначалу он представляет собой едва различимое пятнышко, однако через несколько дней желток начинают обвивать красные кровяные сосуды, а сам мешок начинает уменьшаться в размерах, и так постепенно появляется крошечное живое создание. Если все идет хорошо, то три недели спустя из яйца вылупляется новорожденный цыпленок.
ИНТЕРЕСНО
Желточный мешок создаст первые клетки вашей крови, а затем он скукожится и станет частью вашего кишечника.
У людей все происходит немного медленнее. Тем не менее к началу третьей недели вы успеваете сделать как минимум один важный шаг вперед. В течение нескольких критически важных часов у вас появляются передняя и задняя части, левая и правая стороны, а также верх и низ. Это один из важнейших этапов вашего развития. Если бы что-то в тот момент пошло не так, вы бы не читали сейчас эту книгу и вообще не были бы похожи на человека с надежно спрятанными под кожей внутренностями и усердно бьющимся сердцем.
Первым признаком радикального изменения становится то, что плоская круглая тарелка принимает овальную форму. Одновременно появляется тоненькая полоска. Эта полоска – ваш будущий позвоночник, и она тянется от края к центру овальной тарелки, туда, где позже возникнет ваша голова. Если бы мы рассмотрели эту полоску под микроскопом, то увидели бы все движущиеся вдоль нее клетки. Посередине полоски появляется небольшая ямка, в которую клетки погружаются, образуя новый слой под верхней тарелкой. Вскоре вы превратитесь уже в две тарелки, расположенные одна над другой. Затем новые клетки устремятся вниз и распределятся между этими двумя тарелками, и в итоге вы будете состоять уже из трех отдельных слоев клеток.
Все это могло показаться вам не таким уж и впечатляющим. Я же обещала радикальные перемены, а в итоге круглая тарелка всего лишь превратилась в трехслойный сэндвич из клеток. Как бы то ни было, вы выглядите уже гораздо интереснее, чем та «малина», которой вы были совсем недавно. Эти клетки уже не похожи на тех растерянных и беспомощных новичков, которые понятия не имели, куда они попали и что от них нужно. Теперь у ваших клеток произошло разделение труда. Из клеток верхнего слоя образуются кожа, волосы, ногти, хрусталики глаз, нервы и мозг. Из нижнего слоя сформируются кишечник, печень, трахея и легкие. Средний же слой превратится в скелет, мышцы, сердце и кровеносные сосуды.
Время идет, и специализация каждой клетки становится все уже. В результате у вас окажется более 200 различных типов клеток. Их форма, размер и характеристики будут чрезвычайно отличаться. Круглые красные кровяные тельца будут плавать у вас в крови и переносить по всему организму кислород. Иммунные клетки – охотиться на незваных гостей. В вашем ухе появятся чувствительные ворсинки, которые будут реагировать на каждый услышанный вами звук, а в мозге будут вспыхивать и мерцать электрические сигналы, разносимые по длинным нитям ваших нейронов.
ИНТЕРЕСНО
На третьей неделе вы представляете собой трехслойный сэндвич из клеток, из которых образуются кожа, волосы, глаза, нервы и т. д.
В каждой из этих клеток будут находиться одни и те же цепочки ДНК, унаследованные от той самой первой клетки, которая приплыла сюда по фаллопиевой трубе. Этот рецепт копировался снова и снова, из поколения в поколение. Так за счет чего же тогда все эти клетки становятся такими разными?
Ответ кроется в производимых клетками белках. Гены сами по себе ничего не делают. Это просто рецепты, схемы, согласно которым клетки вырабатывают белки. При этом клетки используют только те рецепты, которые им надо, а лишние откладывают в сторону. Таким образом, каждая клетка способна вырабатывать свой определенный набор белков. Одни гены то и дело включаются, а другие выключаются. Молекула ДНК тщательно охраняется в клеточном ядре, словно какая-то чрезвычайно редкая кулинарная книга. Когда клетке нужно произвести какой-то белок, она сначала создает копию нужного гена, состоящую из РНК – молекулы, похожей на ДНК. После этого молекула РНК покидает клеточное ядро и направляется на клеточный завод по производству белков.
Прежде чем клетка начнет вырабатывать белок, она немного видоизменяет РНК, и зачастую один и тот же рецепт используется для производства нескольких разных белков. Это как с яблочным пирогом вашей бабушки: иногда для разнообразия она может посыпать его орехами или добавить побольше изюма. Как только подготовительные работы окончены, клетка начинает соединять аминокислоты – строительные кубики, из которых состоят все белки. Завод считывает рецепт – по три основания зараз – и по трем буквам понимает, какую из 20 различных аминокислот нужно использовать. Так, например, если он извлечет последовательность ГАА, то поймет, что надо взять глютаминовую кислоту. Другие буквенные комбинации могут быть либо кодом для другой аминокислоты, либо командой на прекращение сборки. В конечном счете эта длинная цепочка аминокислот принимает трехмерную форму белка. В зависимости от порядка использованных аминокислот белки могут принимать любую форму – от длинных волокон до компактных шариков. Есть даже белки, молекулы которых напоминают микроскопические пропеллеры. Некоторые белки сплетаются вместе, образуя более крупные структуры, такие как кожа или глаза. Другие же безустанно трудятся внутри клеток: расщепляют питательные вещества, запасают энергию, переносят различные вещества и контролируют всевозможные процессы.
Производя новые белки, клетки могут преображаться и обзаводиться новыми функциями. На третьей неделе часть из них объединяет свои усилия, чтобы создать ваши первые органы. Клетки центрального слоя, часть из которых в итоге станет вашим позвоночником, формируют толстый канат под названием «хорда». Если бы вам было суждено стать ланцетником, то вы оставили бы ее себе на всю жизнь. У этих похожих на рыб животных нет скелета, однако твердая хорда не дает их телам превратиться в обмякшую желеобразную массу. Рыбы и люди же прекрасно обходятся без хорды, как только заканчивается формирование жесткого позвоночного столба. В итоге единственным напоминанием о ней будут амортизирующие прокладки, расположенные между позвонками.
Тем не менее, пока мы в эмбриональной стадии развития, хорда играет для нас не менее важную роль, чем для ланцетников. В частности, она посылает важнейшие сигналы клеткам, чтобы они знали, что им предстоит делать дальше.
Получив соответствующий сигнал от хорды, клетки верхнего слоя начинают формировать толстый диск. По обе стороны от будущего позвоночника края диска начинают подворачиваться в сторону друг друга, образуя трубку. Происходит это где-то через месяц после зачатия. Позже большая часть этой трубки будет преобразована в спинной мозг. На конце, соответствующем будущей голове, трубка раздувается, образуя три небольшие везикулы: ваши клетки берутся за свой самый амбициозный проект – головной мозг. Он начинает создаваться одним из первых, но закончен будет в самую последнюю очередь – клетки будут довольно долго работать над этим самым важным органом. Даже после вашего рождения эта работа будет продолжаться.
Раньше ученые полагали, что развитие мозга более-менее заканчивается к моменту наступления половой зрелости, однако последние десятилетия исследований показали, что серьезные изменения происходят в нем вплоть до 30 лет. Мы еще вернемся к мозгу, прямо сейчас же нас интересует другой орган. Клетки, находящиеся в самой глубине везикулы, начинают испытывать нехватку питательных веществ. Прежде они получали кислород и все необходимые вещества напрямую из окружающего пространства, однако такая схема работает недолго. По мере роста клетки, находящиеся внутри, сталкиваются с риском смерти. На этом все могло бы и закончиться, если бы не ваше сердце.
Приблизительно через 18 дней после зачатия образуются две небольшие трубки, по одной с каждой стороны будущего позвоночника. За следующие несколько дней они сближаются и сливаются. Клетки вокруг получившейся в результате трубки преобразовываются в новый тип – в клетки сердечной мышцы. Они, в свою очередь, начинают самопроизвольно сокращаться: сжиматься и расширяться, сжиматься и расширяться. Непрерывно. Несмотря ни на что. Ученым удалось вырастить клетки сердечной мышцы в чашках Петри в лаборатории и наблюдать, как каждая из них сокращается независимо от остальных. Когда же эти клетки соприкасались друг с другом, вступая в контакт через узкие поры, то они начинали пульсировать сообща – тук-тук. Итак, всего на 21-й день после зачатия эта маленькая сердечная трубка забьется в первый раз. Отныне она будет работать все время до вашего последнего вздоха: каждый день, каждую секунду, ни разу не останавливаясь.
ИНТЕРЕСНО
Мозг начинает создаваться первым, но закончен будет в самую последнюю очередь.
В это же время по всему прозрачному тельцу станут видны крошечные красные крапинки крови, которые будут объединяться, формируя ваши первые кровеносные сосуды. Следующие несколько часов клетки будут непрерывно сооружать новые кровеносные сосуды, чтобы добраться до всех закоулков вашего организма, который с каждым днем становится все более крупным и сложным. Эти сосуды разветвляются на все более и более мелкие. Самые маленькие из этих ответвлений называются капиллярами. Они настолько тонкие, что через них может протиснуться только одна крошечная клетка крови. Если сложить вместе десять капилляров, то их совместная ширина будет сравнима с толщиной человеческого волоса. У них настолько тонкие стенки, что кислород и питательные вещества просачиваются сквозь них и сразу попадают в изголодавшиеся клетки, расположенные вдоль этих капилляров. Благодаря этой грандиозной сети кровь подводится к каждой клетке вашего организма.
Практически у всех животных количество ударов сердца за всю жизнь приблизительно совпадает. Все дело в том, что размеры животных, их продолжительность жизни и частота их сердцебиения связаны между собой. Человек же явное исключение из правил: мы живем гораздо дольше, чем можно было бы предположить, если исходить из примерно 70 ударов в минуту – частоты, с которой в среднем бьется наше сердце. Сердце маленькой мышки бьется быстро и отчаянно, совершая не менее 450 ударов в минуту на протяжении года-двух, после чего сдается. На другом конце спектра голубой кит – самое крупное из когда-либо существовавших живых существ. У голубых китов есть настолько широкие кровеносные сосуды, что мы могли бы свободно в них плавать, а живут они не больше 80 лет. Их сердце, вес которого составляет более 100 килограммов, совершает менее десяти ударов в минуту. С каждым ударом оно отправляет по огромному телу морского млекопитающего тысячи литров крови, причем бьется сердце кита настолько громко, что его слышно за многие километры.
ИНТЕРЕСНО
Но откуда же сердце знает, что ему следует появиться именно здесь и именно в этот момент? Почему оно становится именно сердцем, а не легким или ухом?
Но хватит уже о голубых китах. В конце концов мы пишем историю о вас. Как только маленькая сердечная трубка начинает пульсировать, она принимается перекачивать жидкость по вашему крошечному телу. Ваши клетки еще не закончили с формированием кровеносных сосудов и крови, однако этих тоненьких струек пока вполне достаточно. Теперь вы превосходите по размеру зернышко риса. Но откуда же сердце знает, что ему следует появиться именно здесь и именно в этот момент? Почему оно становится именно сердцем, а не легким или ухом? Чтобы это понять, нам сначала нужно разобраться, как клетки общаются между собой.
Глава 7
Язык клеток для чайников
Клетки постоянно общаются между собой. Они болтают о том, что мы едим и пьем, о пробравшихся в наше тело бактериях, о нашем стрессе или страхе.
Молекулы – вот язык клеток. Они общаются, отсылая и получая химические послания, которые, как правило, представляют собой разнообразные белки. Некоторые из них напоминают громкие крики и стремительно разносятся по крови во все концы. Стоит вам что-то съесть, как поджелудочная железа тут же выкрикивает название гормона белковой природы:
ИНТЕРЕСНО
Клетки постоянно общаются между собой при помощи молекул, так что если вы не позавтракаете или позволите себе кусок торта перед обедом, можете не сомневаться: ваши клетки немедленно это обсудят.
Все клетки окружены тоненькой пленкой, называемой клеточной мембраной, и лишь некоторые молекулы способны проходить через эти мембраны и проникать в клетки без разрешения. Так что большая часть посланий доставляется не напрямую, а путем присоединения к молекулам-рецепторам, расположенным на поверхности клетки. Послание и рецептор подходят друг другу, как ключ и замочная скважина. Так, например, на поверхности клеток печени расположены инсулиновые рецепторы. Когда молекула инсулина прицепляется к этому рецептору, она запускает ряд цепных реакций внутри клетки. Двери для сахара в крови распахиваются, и печень начинает запасаться питательными веществами.
Многие болезни – это следствие нарушения взаимодействий между клетками. При диабете первого типа поджелудочной железе не удается быть услышанной: она оказывается не в состоянии производить достаточно инсулина. По какой-то неизвестной причине иммунная система организма начинает атаковать клетки, вырабатывающие инсулин, так что обычный окрик «Эй!» в сторону печени превращается в вежливое покашливание. Как результат, пациенту самому приходится посылать инсулиновые послания клеткам своего организма с помощью шприца. При диабете второго типа поджелудочная железа пытается доложить, что человек поел, однако клетки ее не слышат. Инсулин выделяется в кровь, но ему не удается присоединиться к рецепторам на поверхности клеток. Опасность такого диабета в том, что клетки убеждены, будто они оголодали, независимо от того, насколько плотно человек поел. Печень же, несмотря на этот сбой, продолжает расщеплять свои запасы энергии, и уровень сахара в крови подскакивает до опасных значений – повышается риск развития гипергликемической комы. Будучи не в состоянии использовать этот сахар, организм вынужден выводить его через мочу. Таким образом, частое мочеиспускание и чрезмерная жажда являются распространенными симптомами диабета, который также приводит к появлению у мочи сладковатого вкуса и запаха. На заре медицины, кстати, врачи в диагностических целях пробовали на вкус мочу больных диабетом. Такой вид диагностики явно не смущал, например, английского врача Томаса Уиллиса, который в 1674 году сообщал в своих записках, что моча, которую он попробовал, была «невероятно сладкой, словно пропитанной медом или сахаром». Именно он предложил добавить к названию болезни прилагательное «сахарный». Термин «сахарный диабет» используется и по сей день.
Отлаженное взаимодействие позволяет нашему организму быть сплоченной коммуной, количество жителей которой превышает число галактик во Вселенной. Вы можете питаться чем попало, соваться из жары в холод и обратно, отдыхать, бегать, вставать спозаранку или не спать до утра. Что бы вы ни делали, ваш организм проследит за тем, чтобы внутри все оставалось удивительно стабильным. Он заботится о том, чтобы кислотность крови была достаточной, распределяет пищу и энергию, избавляется от отходов и разбирается с плохими бактериями, а вы обо всем этом даже не догадываетесь.
Чтобы сообща выполнять разные задачи и давать друг другу указания, клетки как раз используют химические послания. Здесь нет начальства, никто не знает наперед, что именно он будет делать и что должно получиться в результате. В конце концов ни одной клетке заранее не показывали, что конкретно ей нужно создать. Все, что клетки делают, – это шаг за шагом выполняют поэтапно получаемые инструкции. Замысловатые формы и структуры вашего организма появляются постепенно, по мере того как клетки выполняют длинные наборы простейших указаний. Это немного напоминает складывание фигурок оригами. Нужно всего лишь сгибать лист бумаги в разных местах и направлениях, следуя четкой пошаговой инструкции. В процессе не очень понятно, что же получится, пока в руках внезапно не окажется бумажный журавлик или кораблик. Подобные невероятные вещи можно встретить в природе, когда группа животных полагается на набор простых правил. Один из таких примеров – невероятные переливающиеся узоры, которые создает в небе стая скворцов. Маленькие птички стараются не подлетать слишком близко друг к другу, но двигаются при этом в одном направлении. Получающееся в результате зрелище завораживает, создается иллюзия, будто птицы заранее договорились о таком представлении.
ИНТЕРЕСНО
Создавая органы, откуда клетки знают, где право, а где лево?
«Сделайте трубку», – услышали ваши клетки, когда начали формировать ваше сердце. Когда сердечная трубка только появляется, она расположена ровно посередине вашего симметричного тела. Ваша левая сторона – идеальное отражение правой как снаружи, так и внутри. Но так будет недолго. В следующие несколько недель сердечная трубка нарушит эту симметрию. Она примет форму сплющенной буквы S, образовав петлю и сформировав четыре камеры. Если все пойдет по плану, то получившееся сердце окажется между легкими, будет сужаться книзу и выступать влево. Другие органы тоже прочно разместятся по разные стороны тела: желудок и селезенка расположатся слева, а печень устроится справа.
ИНТЕРЕСНО
Клетки не в состоянии определить, насколько рационален полученный ими сигнал, поэтому, если команду послать не в том направлении, человек родится с генетической патологией.
Но откуда ваши клетки узнают, где право, а где лево? Как оказалось, все эти микроскопические приготовления они делают задолго до появления подобной асимметрии. Когда вы выглядели как плоская тарелка, на некоторых клетках вдоль вашего будущего позвоночника выросли тоненькие волоски под названием
У людей с редчайшей генетической патологией под названием «синдром Картагенера» внутренние органы размещены зеркально по сравнению с их обычным положением. Так, сердце бьется справа, в то время как печень трудится слева. Подобное искажение не доставляет человеку особых проблем. Он лишь часто подхватывает респираторные инфекции и испытывает трудности с зачатием. Все дело в том, что маленькие волоски на клетках работают не так, как надо. Клетки используют реснички не только для того, чтобы направлять молекулы, пока вы находитесь еще в стадии эмбриона.
Уже в сформировавшемся организме эти волосатые клетки можно найти во многих местах, например в легких, где они избавляются от проглоченной пыли и грязи – вы их потом откашливаете. А если человек лишен подобной очистной системы, ничто не мешает бактериям обосноваться, где им вздумается, что приводит в итоге к развитию инфекции.
С подобными проблемами сталкиваются еще и курильщики, так как в результате курения волоски на клетках разрушаются. У мужчин с синдромом Картагенера, помимо прочего, нарушена и репродуктивная функция: хвостики сперматозоидов, с помощью которых они передвигаются, плохо функционируют.
Клетки не в состоянии определить, насколько полученный ими сигнал рационален, полезный он или абсолютно безумный. Поэтому, если сигнал о создании сердца послать не в том направлении, клетки с правой стороны не заподозрят ничего неладного. Они, образно говоря, глухие и слепые и взаимодействуют с миром только посредством молекул. Если им говорят: «Сердце, сердце, сделай сердце», то им ничего не остается, кроме как выполнить приказ. Но как именно молекулы определяют дальнейшую судьбу клетки?
Хотите – верьте, хотите – нет, но ответ мы можем получить у простой плодовой мушки.
Глава 8
Искусство создания плодовой мушки
Четвертая неделя. Пришло время сделать шаг назад и немного вами полюбоваться. У вас получилось! Только задумайтесь! Вы больше не просто какой-то диск, похожий на блюдце. Ваши клетки блуждали, росли, крутились и теперь превратились в нечто, напоминающее забавную маленькую личинку. Вы всего несколько миллиметров в длину, и вас хорошо бы поместить под микроскоп, чтобы разглядеть, что же вы собой представляете, но у вас уже отчетливо различимы верхняя и нижняя части, а внутри формируются новые органы. Еще у вас есть пульсирующая красная сердечная трубка и расширяющаяся в вашей голове нервная трубка, а также трубка кишечника, проходящая сквозь ваше мохнатое прозрачное тело.
На все это у вас ушло всего три недели – всего ничего, а уже такие перемены. Но, с другой стороны, плодовая мушка, например, умудряется стать полностью сформировавшейся личинкой менее чем за сутки: нет смысла тянуть, когда жить тебе предстоит какие-то несколько недель. Вылупившись из яйца, эта блестящая белая личинка выползает наружу, чтобы есть и расти. Пять дней спустя ее вес увеличивается более чем в тысячу раз. Теперь личинка может спокойно превратиться в куколку, где ее клетки добавят необходимые штрихи к портрету, и… шедевр готов! Появляются глаза, усики, крылья и ножки, а дней через девять вылетает готовая плодовая мушка. Ровно столько времени у вас ушло на то, чтобы зарыться в матку вашей матери.
Для биологов плодовая мушка – нечто большее, чем надоедливый кухонный вредитель. Вот уже больше века эти насекомые помогают ученым проводить генетические исследования. Сложно придумать более подходящее подопытное существо: они маленькие, нетребовательные, живут недолго и быстро растут. Но подождите. Что же мы можем узнать, изучая эти крошечные создания? Плодовые мушки совершенно на нас не похожи. Тем не менее перед этой крошечной личинкой стоит такая же непростая задача, что и перед человеком: ей нужно создать полноценный организм, в котором все будет на своих местах. Причем, чтобы этого добиться, нам обоим необходимо проделать один и тот же трюк: разделить свое тело на сегменты.
На четвертой неделе после зачатия ваши сегменты впервые становится видно. С двух сторон спины, рядом с головой появляются два небольших бугорка, именуемых сомитами. Приблизительно час спустя появляется еще одна пара, а затем еще одна, и так далее, пока пар не станет 44 и они не будут простираться вдоль всей вашей спины. В результате на вашем позвоночнике появятся всевозможные странные штуковины – у вас сформируются плечи, ребра и таз, но предшествует всему этому повторяющаяся структура. Ваш позвоночник делится на маленькие позвонки, все одинаковой формы. Впоследствии они изменятся, подстраиваясь под свое расположение: верхние станут узкими, чтобы вы могли кивать или качать головой, нижние же, напротив, расширятся и сделаются более крепкими. Мышцы живота у нас также поделены на сегменты, что хорошо заметно на натренированном теле.
У плодовой мушки в личиночной стадии подобные сегменты тоже хорошо различимы: вдоль всего тельца можно разглядеть небольшие канавки. Позже, когда личинка превратится в мушку, у нее вырастут разные части тела в зависимости от расположения каждого сегмента. Из первого сегмента сформируется голова с глазами и усиками, а последние станут брюшком. Обычно маленькая мушка вылетает из кокона с правильно расположенными крыльями и усиками. Но иногда все идет не совсем по плану. Некоторые плодовые мушки появляются на свет с крупными волосатыми лапками, торчащими из головы вместо тоненьких усиков. У других же вырастают лишние пары крыльев либо лапки появляются в районе рта. «Что за чертовщина? – скажете вы. – Что случилось с этими крошечными созданиями?»
В 1970-х ученые почти приблизились к разгадке. Генетик Эдвард Льюис вместе с коллегами из Калифорнийского технологического института изучил гены мушек-мутантов и обнаружил, что каждая такая трансформация была вызвана повреждением одного из генов. Ученые быстро отследили все восемь генов: они все были расположены в третьей хромосоме мушки. Как это ни странно, гены в цепочке ДНК были расположены в том же порядке, что и контролируемые ими части тела. С одного конца цепочки ДНК были гены, отвечавшие за голову, а с другой – влиявшие на формирование брюшка. Гены, расположенные между ними, соответственно, отвечали за туловище мушки.
ИНТЕРЕСНО
Некоторые особи плодовой мушки появляются на свет с генетическими патологиями: лишней парой крыльев, лапками в районе рта. Причина – повреждение одного из генов.
Эти гены получили название «Hox-гены». Если их изменить, то некоторые части тела мушки окажутся не на своих местах. Возьмем, например, ген Ultrabithorax, чья задача, наряду с остальными Hox-генами, заключается в том, чтобы сообщать клеткам, что они расположены в последнем из трех сегментов туловища мушки. Без сигнала от него эти клетки будут думать, что размещены в сегменте, находящемся дальше, и в результате станут создавать те части тела, которые относятся к этому сегменту. Послушные клетки даже догадываться не будут, что на самом деле должны формировать крошечные, в форме ложки, органы равновесия, торчащие прямо за крыльями, без которых мушка не способна летать, даже если у нее вдруг появится дополнительная пара крыльев. Таким образом, Hox-гены так или иначе следят за тем, чтобы клетки в различных сегментах вели себя по-разному. Но как именно им это удается? Чем же на самом деле занимаются эти таинственные гены?
В 1980-х годах Уолтер Геринг вместе со своими коллегами из Базельского университета нашел ответ на эти вопросы. Генная инженерия стремительно развивалась, благодаря чему появилась возможность копировать определенные участки ДНК и исследовать, из чего они состоят. Буква за буквой ученые воссоздали код Hox-гена. А спустя некоторое время обнаружили строчку из 180 букв, которая подходила ко всем генам независимо от того, за формирование какого сегмента они отвечали. Ученые поняли, что ключ к пониманию работы Hox-генов именно в этой последовательности из 180 букв, которую они назвали «гомеобокс». Но разве она не попадалась им раньше? Исследователи принялись изучать свои базы данных, чтобы сравнить эти 180 символов с расшифрованными прежде генами. Постоянно натыкаясь на эту последовательность, они заметили закономерность: все гены, в которых встречались эти 180 букв, производили белки, прикрепляющиеся к ДНК. Белки же способны включать и выключать гены, и это стало известно благодаря еще одному любимчику биологов – кишечной палочке.
Мои друзья смотрят на меня с явным скептицизмом, когда я говорю им, что развожу у себя в лаборатории кишечную палочку. Эти бактерии, увы, заслужили плохую репутацию среди обывателей, а все благодаря некоторым весьма сомнительным членам их семейства, которые вызывают ужасные кишечные заболевания. Вместе с тем это крайне несправедливо, так как большинство разновидностей кишечных палочек совершенно безвредны и никогда не вызывают рвоту. Безобидные кишечные палочки обитают у вас в кишечнике с самого начала. Более того, они не пускают туда своих по-настоящему опасных собратьев. В лаборатории мы выращиваем кишечные палочки в желтой очень питательной жидкости при температуре 37°С – все, как они любят. В знак благодарности эти бактерии копируют ДНК, создавая для нас белки. Они наши крошечные биологические заводы, и без них мы как без рук.
ИНТЕРЕСНО
Безобидные кишечные палочки обитают у вас в кишечнике с самого начала. Более того, они не пускают туда своих по-настоящему опасных собратьев.
В 1960-е годы французы Жак Моно и Франсуа Жакоб изучили влияние различных питательных веществ на кишечные палочки. Они обратили внимание, что если предоставить кишечным палочкам доступ одновременно к глюкозе и лактозе, то они первым делом принимаются наворачивать глюкозу – свое излюбленное лакомство. Это как ваза со сладостями: никто не станет есть ириски и карамельки, пока там еще остались шоколадные конфеты. Бактериям гораздо проще получить энергию именно из глюкозы. Чтобы использовать лактозу, им приходится сначала разделять ее на маленькие кусочки с помощью специальных белков-ножниц, так что бактерии не заморачиваются с этим белком, пока остается хотя бы немного глюкозы. Весьма практично, но только вот как такому простому организму даются столь важные решения?
Чтобы создать белки-ножницы, расщепляющие лактозу, бактерия использует рецепт, записанный в одном из генов ее ДНК. Сначала ей нужно сделать копию этого рецепта, и затем послать ее на белковый завод. Однако Моно и Жакоб обнаружили, что бактерия производит также и другой белок, который не дает сделать эту копию. Он прицепляется к цепочке ДНК прямо напротив нужного гена, тем самым удерживая его в выключенном положении. Только после отсоединения этого мешающего белка бактерия может начать использовать данный рецепт для производства белков-ножниц. Кроме того, они обнаружили, что бактерия делает еще один белок с прямо противоположным эффектом: когда этот белок присоединяется к цепочке ДНК, то копировать нужный рецепт становится проще. Ген удерживается во включенном состоянии, и бактерия быстрее усваивает лактозу.
Итак, можно включать и выключать гены, подсоединяя к ДНК различные белки. Именно так и работают белки, производимые Hox-генами. Каждый Hox-белок подсоединяется к соответствующему участку ДНК, и – щелк! – целый набор разных генов включается или выключается.
Плодовая мушка устроена сложнее крошечной бактерии. Она состоит из нескольких разных органов, в каждом из которых находятся работающие сообща специализированные клетки. Таким образом, плодовой мушке приходится выделять довольно внушительные участки своей ДНК на то, чтобы контролировать время и место активации различных генов. У людей этот механизм еще сложнее.
Раньше ученые называли все участки ДНК, в которых не было генов, «мусорными», поскольку у них не было каких-либо явных функций.
В наши дни этот термин почти не используется, потому что ученые находят все новые и новые смыслы, запрятанные в этих таинственных и кажущихся иногда пустыми строчках ДНК.
Между генами в ДНК расположены буквенные последовательности, которые работают как генетические переключатели. Определенные белки распознают эти последовательности и помогают гену сработать в нужный момент и в нужном месте. Эти генетические переключатели можно сравнить с выключателями света у нас дома. Некоторые из них, те, что поважнее, регулируют все освещение в комнате, а другие включают и выключают только настольную лампу.
Hox-гены производят белки, которые как раз и выполняют роль главных переключателей для целых наборов генов, а также делают все необходимое, чтобы в разных сегментах вырабатывались разные белки, то есть чтобы у плодовой мушки усики выросли на голове, а крылья – на туловище.
Тут возникает важный вопрос: что все это значит для нас? Я ведь пообещала, что эта история будет о вас, а вот пишу подозрительно много о каких-то плодовых мушках. Чтобы найти наших общих предков с плодовыми мушками, нам бы пришлось вернуться более чем на полмиллиарда лет назад – нас сложно назвать близкими родственниками.
В прошлом считалось, что гены, отвечающие за формирование тела плодовой мушки, кардинально отличаются от соответствующих генов у людей. Но все буквально встало с ног на голову в 1980-е, когда ученые, начав поиски Hox-генов у животных, стали находить их повсюду. Эти гены были у червей и рыб, у лягушек и мышей.
А что насчет людей? Мы тоже оказались не исключением. Разумеется, у нас все несколько сложнее: в нашем геноме целых четыре набора Hox-генов, а не один, как у плодовых мушек. Принцип между тем остается тот же: судьба бугорков вдоль вашей спины, когда вы еще в стадии зародыша, определяется различными комбинациями Hox-генов. Они контролируют, чтобы вдоль вашего позвоночника все формировалось как надо: лопатки вверху, таз внизу, а между ними ребра.
ИНТЕРЕСНО
После полумиллиарда лет эволюции прежние гены все еще используются, только уже по-новому и в новых комбинациях.
Подобно тому, как с помощью гвоздей и молотка можно построить сарай, особняк или церковь, посредством Hox-генов создаются и плодовая мушка, и мышь, и человек. Дело не только в том, какие гены есть в наличии. Важно то, как они используются. Честно говоря, у нас с плодовыми мушками больше половины генов общие. Нашим с ними предком, может, и был какой-нибудь червяк, однако даже червю нужны гены, чтобы его голова отличалась от хвоста. После полумиллиарда лет эволюции эти гены по-прежнему используются, только уже по-новому и в новых комбинациях. Как мы с вами вскоре увидим, Hox-гены для нас далеко не единственные сувениры из прошлого.
Глава 9
Наследство из океана
Поделиться книгой: