Вот так все и работает. Лучше не придумаешь! Клетка является живой химической фабрикой, способной выпускать колоссальное число соединений в любом количестве, стоит только добавить необходимый фермент. И как этот выбор делается? Путем включения нужного гена. Если клетка представляется котлом с химикатами, не вступающими в реакцию друг с другом, то в клеточном ядре, напротив, работает только малое число генов. Если ген включен (например, мы говорим о клетке печени), то последовательность нуклеотидов, то есть генетический код, определит последовательность аминокислот (помните магнитное ожерелье?), она определит форму, в которую свернется белок, а в этой форме появятся нужные зубцы и впадины, которые неизбежно заставят молекулы в «котле» соединиться требуемым образом. В каждой клетке, за исключением красных кровяных телец, имеется ядро, содержащее набор генов для всех ферментов. Но также в каждой клетке «активированы» немногие гены. Так, в клетках щитовидной железы вырабатываются ферменты для производства тироидного гормона, и соответственно, работают только гены этих ферментов. Точно так и с любыми другими клетками. Конфигурация клетки, ее поведение, ее участие в спектакле — все определяется идущими в клетке химическими реакциями. Поэтому весь ход эмбрионального развития управляется генами. Именно гены диктуют последовательность аминокислот, определяющую третичную структуру белков, именно она формирует «розетки» и «штепсели» в активном центре. Он, в свою очередь, контролирует клеточную химию, а это вызывает спонтанно организованное, подобное поведению скворцов в стае, поведение клеток в процессах эмбрионального развития. Таким образом, разница генов может вызвать изменения хода эмбрионального развития и, следовательно, изменения облика и поведения взрослых особей. А впоследствии выживание и репродуктивный успех этих особей повлияют на выживание генов, которые некогда обеспечили их выживание и репродуктивный успех. И в этом заключается естественный отбор.
Эмбриональное развитие кажется сложным (так оно и есть), но все видится проще, если разложить его на более простые составляющие, которые, по сути, являются самоорганизующимися процессами, управляемыми во всех случаях местными взаимодействиями. Другое дело — понять, как клетки, в которых содержится набор генов, решают, какой из генов следует задействовать в определенный момент. Попробуем ответить на этот вопрос.
Будет ли тот или иной ген активирован, зависит от химического состава окружающей среды, а он регулируется работой каскадов других генов, называемых генами-переключателями либо регуляторными генами. Клетки щитовидной железы, например, сильно отличаются от мышечных, как и от всех других, понятное дело, хотя гены у всех одинаковые. Хорошо, скажете вы: клетки мышц и щитовидной железы различаются у более или менее развившихся эмбрионов. Но эмбрион начинается с однойединственной клетки. Клетки щитовидной и поджелудочной желез, клетки печени и костей, клетки кожи и мышц — все это потомки оплодотворенной яйцеклетки, их судьбы складываются в ветвящееся генеалогическое древо. Это древо, берущее начало в зачатии, не имеет ничего общего с эволюционным древом, уходящим в прошлое на миллионы лет, которым мы любовались в других главах. Позвольте показать вам, например, полную родословную 558 клеток только что вышедшей из яйца личинки червя-нематоды Caenorhabditis elegans[111]. (Не знаю, почему этим червям дали видовое название elegans — изящный, но теперь можно сказать, что они его заслуживают. И, хотя я знаю, что не все читатели одобряют отступления от темы, исследования C. elegans — это такое торжество научной мысли, что сейчас меня ничто не остановит.)
В 1960-х блистательный южноафриканский ученый Сидней Бреннер выбрал C. elegans в качестве идеального подопытного животного. Он как раз закончил свою работу с Фрэнсисом Криком и другими коллегами из Кембриджа, посвященную расшифровке генома, и обдумывал, за что бы взяться. С его легкой руки — и благодаря его мощному творческому заделу! — в исследованиях генетики и анатомии нервной системы C. elegans появилось целое сообщество специалистов по C. elegans, которое теперь насчитывает тысячи людей. Можно сказать, что мы знаем о C. elegans почти все. Нам полностью известен его геном. Мы точно знаем, где находится каждая из его 558 клеток (у личинок; у взрослой особи-гермафродита их 959, не считая репродуктивных), и для каждой составлена полная родословная. Нам известно большое количество мутантных генов, приводящих к появлению атипичных червей, и мы точно знаем, где в теле проявляется мутация. Мы знаем и полную историю образования этих отклонений. Это маленькое создание известно нам снаружи и изнутри, вдоль и поперек («О, храброславленный герой!»). В 2002 году Бреннер был, пусть запоздало, удостоен Нобелевской премии, и один из видов, близких к C. elegans, был назван в его честь — Caenorhabditis brenneri. Его постоянная колонка «Дядя Сид» в журнале «Каррент байолоджи» являет образец эрудированности и бестрепетной научной мудрости, остроумной и прекрасной, как вся область исследований C. elegans, им инспирированная. Однако мне хотелось бы, чтобы микробиологи общались с зоологами (как это делал сам Бреннер) и перестали бы относиться к Caenorhabditis как к единственной нематоде или даже как к единственному червю, будто других не существует.
Родословная клеток Caenorhabditis elegans
Разумеется, в диаграмме вы не сможете прочесть, где какие типы клеток находятся (чтобы написать их разборчиво, понадобилось бы семь страниц), но там указано: «глотка», «мышцы кишечника», «мышцы тела», «сфинктер», «кольцевой ганглий», «поясничный ганглий». Все эти клетки вне зависимости от типа приходятся друг другу буквально двоюродными сестрами с учетом их общего происхождения. Я рассматриваю мышечную клетку MSpappppa. Она является сестрой другой мышечной клетки, двоюродной сестрой двух мышечных клеток, двоюродной племянницей еще двух мышечных клеток, троюродной — шести клеткам глотки, четвероюродной сестрой еще семнадцати клеткам глотки, и так далее. Не правда ли поразительно, что мы можем уверенно использовать слова вроде «племянница» по отношению к клеткам, каждая из которых поименована и однозначно определена? Количество «поколений» клеток, отделяющих ткани от первоначальной яйцеклетки, невелико. В конце концов, в теле C. elegans всего 558 клеток, а теоретически можно получить 1024 (два в десятой степени) клеток всего за десять делений. Количество поколений клеток у человека гораздо больше. Тем не менее, теоретически можно составить аналогичную родословную каждой из триллионов клеток (сравните с 558 клетками женской личинки C. elegans), проследив линию предков до одной оплодотворенной яйцеклетки. Впрочем, для млекопитающих невозможно определить и поименовать конкретные клетки, и так, чтобы это соответствовало их расположению. У нас речь идет о некой усредненной популяции клеток, немного различающихся у разных людей.
Надеюсь, что моя ода во славу Caenorhabditis не увела нас слишком далеко от разговора о том, как различные клетки отдаляются друг от друга, меняя форму и другие признаки по мере ветвления древа клеток в ходе эмбрионального развития. В том месте, где двум линиям клеток суждено разойтись в разные стороны, должно произойти нечто, что будет отличать клетку, чья судьба — стать клеткой гортани, от ее сестры-близнеца, которая превратится в кольцевой ганглий. А иначе как они определят, какие гены какой клетке задействовать? Дело в том, что когда ближайший общий предок двух клонов делился пополам, две половины его клетки уже не были одинаковыми. Поэтому две дочерние клетки, хотя и получили одинаковый набор генов, различались по химическому составу. Вследствие этого у них были активированы разные гены, что и определило дальнейшую судьбу их потомков. Этот принцип действует на протяжении всего развития эмбриона, с самого начала. Ключ к клеточной дифференциации у всех животных — асимметричное деление клеток[112]. Сэр Джон Салстон с коллегами проследил путь каждой из клеток тела червя вплоть до одной из шести клеток-основательниц. Мы можем назвать их клетками-родоначальницами: AB, MS, E, D, C и P4[113]. Когда ученые давали клеткам названия, они стремились сделать так, чтобы история каждой была сразу ясна. Название клетки начинается с названия одной из шести клеток-родоначальниц. Дальнейшее название клетки состоит из букв, указывающих направление деления: перед (anterior), зад (posterior), спина (dorsal), брюхо (ventral), лево (left) или право (right)[114]. Например, Ca и Cp — две «дочери» клетки-родоначальницы C (передняя и задняя соответственно). Обратите внимание: у каждой клетки может быть не более двух «дочерей» (одна может погибнуть). Вот мышечная клетка Cappppv. У нее говорящее имя. У клетки C была передняя дочерняя клетка, от которой отделилась задняя «дочь», у которой также была задняя «дочь», и у двух следующих также. Последняя породила брюшную дочернюю клетку, на которую я смотрю. Каждая клетка организма описана строчкой, заглавные буквы которой являются именем одной из клеток-основательниц. Еще один пример — клетка ABprpapppap, нервная клетка, расположенная в брюшном нерве, тянущемся по всей длине червя. Наверное, нет необходимости перечислять все ее деления. Замечательно то, что у каждой клетки есть имя, описывающее историю ее развития. Каждое из десяти делений, которые привели к появлению клетки ABprpapppap (понятно, не только ее, но и остальных), было асимметричным, что предопределило активацию разных генов для двух дочерних клеток. Таким же образом происходит дифференциация тканей во всех живых существах. Разумеется, у большинства животных больше 558 клеток, и их эмбриональное развитие, как правило, задано менее жестко. Как по-дружески напомнил мне сэр Джон Салстон (и о чем я уже коротко упоминал), у млекопитающих (особенно у них) клеточные родословные различны для каждой особи, а у Caenorhabditis они практически идентичны, исключая мутантных особей. Тем не менее, принцип остается тем же. У любого животного клетки различных частей тела, хотя и несут одинаковый генетический код, отличаются друг от друга именно из-за асимметричного деления в процессе короткой эмбриональной истории.
