Ученый: в основе развития человека и мухи лежит один механизм

Ученые из Европы рассказали о сходствах людей и насекомых

В музее занимательных наук "Экспериментаниум" выступили Василий Сысоев и Ишаан Гупта - аспиранты Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гейдельберге. Ученые расскали о том, как изменение в ДНК мушки приводят к нарушениям развития, какое отношение насекомые имеют к людям, и что такое молекулярные машины и гены. Прямую трансляцию мероприятия провело сетевое издание M24.ru. Приводим текстовую версию лекции.

- Главная причина, почему на человеке нельзя ставить эксперименты, – это бесчеловечно. Я показываю разнообразие людей, и, конечно, было бы очень бесчеловечно ставить на людях опыты. Опыты можно ставить на других животных, например, на мышах. На мышах ставится очень много опытов, тем не менее, этот организм тоже обладает некоторыми недостатками. Например, мыши размножаются гораздо медленнее, чем хотелось бы, также мышей очень дорого содержать. Ну, и есть масса причин, почему мышь – это не совсем удобный организм.

В самом начале, когда развитие биологии только зарождалось, был предложен организм, который мы называем плодовой мушкой. Здесь представлена фотография плодовой мушки, обычно она имеет длину 1-2 миллиметра она лишена тех недостатков, которые есть у мышей. Например, жизненный цикл плодовой мушки занимает всего лишь две недели при оптимальной температуре 25 градусов. Цена содержания таких мушек очень низка, потому что необходимы всего лишь пластиковые пробирки, мушиная еда и (возможно) микроскоп, в который можно наблюдать за ее развитием. При низкой температуре мухи гибнут и развиваются очень медленно, оптимальная температура составляет 20-30 градусов.

Развитие мушки начинается с того, что взрослая особь - самка - откладывает яйцо. Как правило, в дикой природе она откладывает яйца на фрукте, поэтому этот организм и называют плодовой мушкой. После того, как личинка вылупляется из яйца, она кормится на фруктах, затем линяет несколько раз, набирает вес и, перелиняв нужное количество раз, личинка окукливается, в куколке происходит полное превращение, и после этого из куколки вылупляется взрослая особь, которая выглядит вот так.

Как мы видим, это взрослая особь, не мутированная, которая развивалась в соответствии с обычной, нормальной программой развития. У нее есть два крыла и два уменьшенных крыла, которые называются жужжальцами, они необходимы для балансирования мухи в полете.

Как я сказал, опыты на мухе ставились очень давно, и очень давно люди вызывали изменения в ДНК, то есть мутировали ДНК мухи, и очень давно был определен мутант, который получил название Bithorax. Thorax означает "грудь". Как мы видим, у этой мухи, по сравнению с мухой дикого типа, четыре крыла, и выглядит она так, как будто у нее две груди. Было определено, что мутации в одном-единственном гене, в одном-единственном участке ДНК, приводят к такому эффекту.

Чтобы разобраться, как действует этот ген, каков же механизм, который приводит к такому ужасному превращению, мы рассмотрим сначала самое ранее развитие плодовой мушки. Здесь показаны рисунки мушиного эмбриона на разных стадиях. Во время развития эмбриона или зародыша мухи происходит много интересных событий, но главным результатом зародышевого развития является то, что в конце развития зародыш разделен на строго определенное количество сегментов.

Как видите, личинка на последних стадиях состоит из определенного количества повторяющихся звеньев, и каждое из этих звеньев затем будет развиваться в соответствии со своей программой развития. Из одного сегмента вырастут крылья, из другого вырастут жужжальца, какие-то сегменты превратятся в голову, а какие-то превратятся в брюшко.

Современные технологии позволяют пометить одну-единственную молекулу, один-единственный тип молекул в эмбрионе мушки и затем наблюдать только за этим видом молекул. В этом случае была помечена ДНК. Как я говорил, ДНК находится в ядре, и здесь мы можем наблюдать деление этих ядер. Как мы видим, они делятся одновременно, через строго определенные промежутки времени, причем с каждым новым делением этот промежуток времени увеличивается (демонстрируется видеозапись - прим. ред.)

Я покажу тот же самый процесс, тот же самый этап развития мушки, но проиллюстрирую его видеозаписью, которая была сделана с помощью немного другой методики, другого метода микроскопии, который позволяет видеть весь эмбрион, не только какой-то из его слоев. Здесь мы тоже можем наблюдать, что ядра делятся почти одновременно через строго определенные промежутки времени.

На этой видеозаписи, которая была сделана в лаборатории в Гейдельберге, где я работаю, показан следующий этап развития мушки. Как я говорил, делятся только ядра. Но я вам напомню, что наши тела состоят из клеток, и в какой-то момент эти клетки должны образоваться. И как раз на этой видеозаписи мы можем наблюдать за этим процессом. Здесь светящимся красителем помечены оболочки клеток, которые, как мы видим, растут и затем окружают ядра, которые мы не видим, поскольку этот краситель не показывает ядра.

И наконец, на следующей видеозаписи я покажу, что происходит после того, как образовались клетки. Эта видеозапись также была сделана в институте, где я работаю, в Европейской молекулярно-биологической лаборатории. Это вид со стороны брюшка, а это вид со спины (демонстрируется видеозапись - прим. ред.)

Как я говорил, в течение первых часов развития происходит очень много интересных событий, которые можем наблюдать здесь, но я не буду загружать вас деталями. В конце развития зародыша формируются мускулы, которые затем начинают хаотично сокращаться, и поскольку зародыш движется, его уже не имеет смысла снимать в микроскоп.

Давайте вернемся к гену, который мутировал в мухах с двумя парами крыльев. Этот ген был назван Ultrabithorax. Здесь зародыш плодовой мушки на определенной стадии, на одной из ранних стадий развития. С помощью современных методов есть возможность видеть клетки, в которых считывается этот участок ДНК. Вы помните, что ДНК – это огромный текст, и каждый его участок имеет какое-то определенное значение, примерно как книга в библиотеке. В каждой из этих клеток содержится одна и та же ДНК, но при этом определенная книга или ген считывается только в строго определенном наборе клеток. И как раз это тот самый ген, который отвечает за образование второй пары крыльев.

Вы правильно сказали: для того чтобы понять, как работает ДНК, люди сравнивают последовательности, ищут сходства между разными участками последовательности ДНК. Было найдено много генов, которые имеют сходство с геном Ultrabithorax. Такие гены назвали гомеозисными генами, и они не только имеют сходство в последовательности, но и выполняют схожую функцию: они определяют судьбу определенного набора сегментов. Как Ultrabithorax важен для правильного развития одного из грудных сегментов, так и другие гены отвечают за развитие других сегментов. Это открытие было настолько важным и настолько изменило наше представление о развитии, что за открытие и изучение гомеозисных генов была дана Нобелевская премия Эдварду Льюису. На этой фотографии вы видите, что он держит пробирку с мухами, и вы можете отследить, как они выглядят.

На следующих слайдах я покажу, как выглядят мутанты, в которых какие-то из этих генов изменены. Например, посмотрим на эту фотографию. На левой части слайда показана голова здоровой мушки дикого типа. На правой части показана голова мушки, у которой ген Antennapedia – это один из генов семейства, о котором я рассказал на предыдущем слайде, - мутирован таким образом, что он считывается не там, где ему положено. Он считывается в клетках, которые в норме должны превратиться в антенны, но в мутанте они превращаются в ноги, которые растут из головы мухи. Это вид той же самой мухи со спины. Можете сравнить с тем, как выглядит дикая муха. Точно так же, как ген Ultrabithorax, он экспрессируется только в некоторых клетках, уже на стадии раннего развития мушки. То же самое можно сказать и о других генах, таких как Labial - этот ген отвечает за развитие головы - и другого гена, который отвечает за развитие брюшка, брюшных сегментов.

Чтобы разобраться, как работает ген Ultrabithorax, предлагаю вернуться к этой фотографии и нарисовать линии, которые отделят клетки, которые затем превратятся в первый, второй и третий грудные сегменты. Напомню, что крылья будут образованы вторым грудным сегментом. В результате было открыто, что клетки, которые образуют второй грудной сегмент, как и клетки, которые образуют третий грудной сегмент, способны развиться как крылья. И ген Ultrabithorax, который есть только в клетках третьего грудного сегмента, предотвращает выполнение программы развития крыльев, поэтому в мухах, в которых этот ген отсутствует, клетки третьего сегмента развиваются как клетки второго сегмента – образуется вторая пара крыльев.

Интересно, что этот класс генов есть не только в плодовой мушке, но и в других животных, например, в человеке. Интересно, что в человеке количество генов этого семейства гораздо больше, все они обладают некоторым сходством. Существуют гены, которые есть только в человеке, но есть также те, которые есть и в человеке, и в плодовой мушке. Не только последовательность, которая кодирует эти гены, похожа в человеке и в мушке, но и механизм, по которому регулируется развитие, также похож. Как и в плодовой мушке, эти гены отвечают за определение судьбы целых сегментов, которые затем образуются в большие фрагменты тела. Как и у плодовой мушки, мутация этих генов приводит к тяжелым болезням.

Например, большая часть мутаций таких генов, если вообще человек выживает, приводит к нарушению развития скелета. У людей, у которых мутирован один из таких генов, нарушен нормальный рост зубов, и количество зубов у них гораздо больше.

Я подошел к заключению. В заключении я бы хотел сказать основные тезисы своей лекции. Во-первых, последовательность ДНК и гены контролируют развитие тела, во-вторых, некоторые гены определяют судьбу целых групп клеток, которые образуют целые части тела. Механизмы, лежащие в основе развития самых разных животных, даже так сильно отличающихся, как человек и плодовая мушка, похожи, и мутация генов, отвечающих за развитие человека, приводит к тяжелым болезням.

Вопросы, на которые я не дал ответа, – это, например, почему только эти клетки считывают ген Ultrabithorax, почему другие клетки не считывают его? И второй вопрос, на который я не дал ответа: каким образом эти гены заставляют клетки выполнять ту или иную программу?

Я, пожалуй, на этом завершу. Я бы хотел поблагодарить музей "Экспериментаниум" за такую прекрасную возможность выступить здесь с этой лекцией, институт, в котором я работаю, и спонсора нашей поездки. Больше спасибо.