ДНК и организатор - раздел История, Внутренняя рыба. История человеческого тела с древнейших времен до наших дней
В То Время, Когда Шпеману Была Присуждена Нобелевская Премия,...
В то время, когда Шпеману была присуждена Нобелевская премия, вокруг организатора был большой ажиотаж. Ученые искали загадочное вещество, действие которого могло бы определять в процессе развития план строения всего тела. Но подобно тому, как приходят и уходят увлечения в популярной культуре (например, такими игрушками, как йо‑йо или смеющаяся кукла «Веселый Элмо»), увлечения ученых тоже нередко оказываются преходящими. К семидесятым годам к организатору стали относиться во многом как к диковинке, любопытному эпизоду из истории эмбриологии. Причина такого охлаждения была в том, что никому не удавалось разобраться в механизме работы организатора.
Все изменилось после того, как в восьмидесятых годах были открыты Hох‑гены. В начале девяностых, когда концепция организатора была еще по‑прежнему совершенно не в моде, в лаборатории Эдди Де Робертиса в Калифорнийском университете в Лос‑Анджелесе искали Hox‑ гены у лягушек по методике, сходной с той, что успешно использовали Левин и Макгиннис. Поиски были довольно масштабны и позволили выловить немало разных генов. Один из этих генов отличался весьма необычным характером работы. Он активировался в том самом участке организма эмбриона, где расположен организатор, и действовал именно на том этапе развития, на котором проявляется эффект организатора. Могу себе представить, что чувствовал Де Робертис, когда нашел этот ген. Перед ним был легендарный участок‑организатор, и внутри этого участка работал ген, который, похоже, им управлял или по крайней мере был связан с его действием в процессе развития эмбриона. Интерес к организатору вспыхнул с новой силой.
После этого во многих разных лабораториях стали находить гены, связанные с организатором. Ричард Харланд, работавший в университете Беркли, проводя совсем другие эксперименты, нашел еще один ген, который он назвал Noggin. Этот ген делал в точности то, что должен делать ген организатора. Когда Харланд взял немного продукта этого гена и ввел его в определенный участок тела развивающегося эмбриона, эффект был точно таким же, как от пересадки организатора. Тело развившегося эмбриона обладало удвоенной продольной осью и двумя головами.
Действительно ли ген, открытый Де Робертисом, и ген Noggin и являются теми участками ДНК, которые обеспечивают работу организатора? Ответ здесь – и да и нет. Организацию плана строения тела обеспечивают многие гены, в том числе и эти два. Системы таких генов довольно сложны: один и тот же ген может играть на разных этапах развития несколько разных ролей. К примеру, ген Noggin играет важную роль в формировании оси тела, но также задействован и в процессе развития многих других органов. Более того, сложное поведение клеток, обеспечивающее, например, развитие головы, связано с работой не одного, а многих генов. На всех стадиях развития эмбриона одни гены взаимодействуют с другими. Работа одного гена может подавлять, а может и стимулировать работу другого. Иногда включение или выключение определенного гена обеспечивается взаимодействием сразу многих других генов. К счастью, новейшие методы позволяют нам наблюдать, как в клетке одновременно работают тысячи разных генов. Эти методы вместе с новыми компьютерными технологиями, дающими нам возможность разбираться в функциях конкретных генов, обладают огромным потенциалом для выяснения того, как гены обеспечивают формирование клеток, тканей и тел.
Выяснение этих сложных взаимодействий между батареями генов проливает свет на механизмы, благодаря которым формируются наши тела. Работа гена Noggin – прекрасный тому пример. Продукт этого гена сам по себе не указывает ни одной клетке, где она должна располагаться на оси, идущей от спины к брюху. Этот ген действует лишь в унисон с множеством других генов. Их совместная работа и определяет положение клеток. Еще один ген, ВМР‑4 , представляет собой «брюшной» ген. Он включается в клетках, из которых развиваются структуры, расположенные на брюшной стороне тела. Для развития зародыша очень важно взаимодействие между генами ВМР‑4 и Noggin. В тех клетках, где активен Noggin, ВМР‑4 не может выполнять свою работу. В итоге получается, что ген Noggin не столько говорит клеткам, что им нужно стать «клетками спинной стороны тела», сколько выключает сигнал, который сделал бы их клетками брюшной стороны . Такого рода отношения, включение и выключение, и лежат в основе всех процессов развития живых организмов.
Все темы данного раздела:
Добываем ископаемые – видим самих себя
Впервые я увидел одну из тех рыб, что сохранились внутри нас, снежным июльским днем, исследуя породы возрастом 375 миллионов лет на острове Элсмир, около 80° северной широты. Вместе
Обратимся к рыбам
Во времена Оуэна и Дарвина пропасть между плавниками рыб и конечностями наземных позвоночных казалась почти непреодолимой. Между этими органами нет никакого очевидного сходства. Сна
Открытие пальцев и запястий рыб
Как‑то раз в 1995 году мы с Тедом Дешлером вернулись домой в Филадельфию, после того как проехали по всей центральной Пенсильвании в поисках новых дорожно‑строительных р
Создавая руки
Наши конечности трехмерны – у них есть верх и низ, сторона мизинца и сторона большого пальца, основание и конец. Кости на конце конечности – в пальцах – отличаются от костей внутри
Рецепт на ДНК
Эту работу выполняло уже новое поколение ученых. До девяностых годов прошлого века, когда стали доступны новые молекулярные технологии, ученым не удавалось выяснить, какие гены упра
Дадим акуле руку
Рэнди Дан пришел в мою лабораторию с простой, но довольно изящной идеей: обработать эмбрионы скатов так же, как Кпифф Тейбин обрабатывал куриные яйца. Замысел Рэнди состоял в том, ч
Зубы и кости – что крепче?
Практически само собой разумеется, что зубы выделяются из других органов своей исключительной твердостью. Зубы должны быть крепче, чем кусочки пищи, которые с их помощью перемалываю
Зубы, железы и перья
Появление зубов не только знаменовало собой начало нового способа существования, но и открывало новый путь для развития органов. Зубы развиваются за счет взаимодействия двух слоев т
Беспорядок в головах
Анатомия головы не только сложна, но и труднодоступна для изучения, потому что ее ткани, в отличие от других частей нашего тела, заключены в костяную коробку черепа. Чтобы увидеть н
Суть в эмбрионах
В самом начале головы ни у кого из нас нет. Новый организм возникает, когда сперматозоид и яйцеклетка сливаются, образуя новую клетку – оплодотворенную яйцеклетку (зиготу). В течени
Внутренняя акула
Есть немало анекдотов про адвокатов, суть которых в том, что адвокаты – это особо ненасытная разновидность акул. Когда я преподавал эмбриологию, был популярен один из таких анекдото
Гены жаберных дуг
В течение первых нескольких недель после зачатия в клетках жаберных дуг зародыша и во всех тканях, из которых впоследствии образуется наш мозг, последовательно включаются и выключаю
Идем по головам: от безголовых морских чудищ до наших головастых предков
Но почему мы так подробно останавливаемся на лягушках и акулах? Почему не сравниваем строение нашей головы со строением других животных, например насекомых или червей? Но стоит ли э
Общий план: сравним эмбрионы
Я поступил в магистратуру, собираясь изучать ископаемых млекопитающих, а через три года уже работал над диссертацией, посвященной рыбам и амфибиям. Я сбился с пути истинного, если м
Эксперименты с эмбрионами
Вначале XX века биологи задались фундаментальными вопросами о строении и развитии организмов. Где именно в эмбрионах хранится информация о пути их развития? Содержится ли она в кажд
О мухах и людях
Карл Бэр следил за развитием эмбрионов, сравнивал один вид с другим и выявлял фундаментальные черты строения живых организмов. Мангольд и Шпеман, чтобы узнать, как из тканей эмбрион
Внутренняя актиния
Одно дело – сравнивать наши тела с телами лягушек и рыб. Между нами есть немало черт вполне заметного сходства: у нас у всех есть позвоночник, конечности, голова и так далее. Но что
Поиск доказательств: где тело?
Далеко не каждый комок клеток заслуживает почетного звания тела. Бактериальный мат или группа клеток кожи – нечто совсем иное, чем объединение клеток, которое мы называем телом мног
В поисках тела
Мысль, которая не позволяет всем нам – червям, рыбам и людям – слишком возгордиться: большая часть истории жизни была историей одноклеточных организмов. Почти все, о чем мы говорили
Тело как улика
По фотографиям докембрийских дисков, пальмовых листьев и лент никак нельзя понять, как много в этих организмах уже было от наших собственных тел. Казалось бы, что может быть общего
Бодибилдинг для капель
Что общего между телом профессора и каплей? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим самых примитивных животных, обитающих сегодня на нашей планете.
Одно из них не
Молекулы – светоуловители
Самое главное для работы клеток‑светоуловителей – это процессы, происходящие в молекулах определенного вещества, которые, собственно, и улавливают свет. Когда свет попадает на
Среднее ухо – три слуховые косточки
Млекопитающие – существа особенные. Волосяной покров и молочные железы отличают нас, млекопитающих, от всех других живых организмов. Но многие, пожалуй, удивятся, если узнают, что с
Внутреннее ухо – движение желе и колебание волосков
Представьте себе, что мы заходим в слуховой проход, проходим сквозь барабанную перепонку, мимо трех косточек среднего уха и оказываемся глубоко внутри черепа. Здесь расположено внут
Медузы и происхождение глаз и ушей
Подобно ответственному за развитие глаз гену Pax 6, который мы уже обсуждали, Pax 2 , в свою очередь, – один из главных генов, необходимых для развития ушей. Примечате
Внутренний зоопарк
Я впервые приобщился к миру науки в 1980 году еще студентом колледжа, решив подработать волонтером в Американском музее естественной истории в Нью‑Йорке. Это была для меня зам
Еще одна прогулка по зоопарку – на сей раз подольше
Как мы с вами уже убедились, наши тела устроены далеко не случайно. Здесь я использую слово «случайно» в особом значении: я имею в виду, что строение нашего тела далеко не случайным
Как история нас достает
Однажды моя коленка раздулась до размеров грейпфрута, и одному из моих коллег из отделения хирургии пришлось долго мять и сгибать ее, чтобы понять, растяжение ли это, или разрыв одн
Наследие охотников и собирателей: ожирение, сердечные заболевания и геморрой
Наши далекие предки‑рыбы активно охотились в древних океанах и реках. Предки чуть менее дальние, амфибии, рептилии и млекопитающие, тоже были активными хищниками и добывали ра
Наследие приматов: речь достается недешево
Способность разговаривать досталась нам дорогой ценой. За эту способность мы расплачиваемся риском умереть от остановки дыхания во время сна или подавившись какой‑нибудь пищей
Наследие рыб и головастиков: икота
Икота – неприятность, восходящая корнями к истории, роднящей нас с рыбами и головастиками.
Если что‑то и может нас в связи с этим утешить, так это то, что наше несчас
Наследие акул: грыжи
Наша предрасположенность к грыжам, по крайней мере к тем из них, что возникают в области паха, вызвана тем, что наш организм представляет собой бывшее рыбье тело, превращенное в тел
Наследие микробов: митохондриальные заболевания
Митохондрии есть в каждой клетке нашего тела, и везде они выполняют ряд важнейших функций. Самая известная из этих их функций состоит в том, чтобы из кислорода и сахаров получать эн
Послесловие
У меня растут двое детей, и в последние годы я немало времени провожу с ними в музеях, зоопарках и океанариумах. Для меня это необычный опыт – приходить туда в качестве посетителя,
Интернет‑ресурсы
Дополнительные сведения по обсуждаемым в этой книге вопросам можно также найти на следующих сайтах, заслуживающих доверия и регулярно обновляющихся.
http://www.ucmp.berkele
Благодарности
Все иллюстрации, кроме отмеченных особо, выполнила Капи (Каллиопи) Монойос (www.kalliopimonoyios.com). Капи читала черновые варианты рукописи этой книги и не только помогла улучшить
Комментарии
О том, как результаты палеонтологических экспедиций позволяют судить о важнейших вопросах биологии и геологии, см.: М. Novacek, Dinosaurs of the Flaming Cliff
Новости и инфо для студентов