Гены формируют организм

Лауреатами Нобелевский премии по физиологии и медицине стали в этом году трое ученых - два американца и одна немка. Их имена - Эдвард Льюис из Калифорнийского технологического института в Пасадине (77 лет), Эрик Вишаус из Принстонского университета (48 лет) и Христиан Нюссляйн-Фольхард, руководитель отдела эволюционной биологии в Институте Макса Планка в Тюбингене (52 года). Торжественная церемония вручения премии состоится в Стокгольме 10 декабря. Избранники поделят между собой миллион долларов.

Все они - специалисты в области эволюционной биологии. Как сказано в заявлении Каролинского института, присуждающего премии по физиологии и медицине, эти ученые обнаружили важные генетические механизмы, контролирующие процесс раннего развития человеческого зародыша. Понимание работы упомянутых механизмов поможет объяснить происхождение врожденных пороков, из которых около 40 процентов не получили четкого объяснения. Благодаря исследованиям Льюиса, Вишауса, Ньюссляйн-Фольхард и их последователей этот пробел со временем будет восполнен, говорится в заявлении Каролинского института.

Ученые работали с плодовой мушкой дрозофилой - традиционным инструментом биологов. Восемьдесят пять лет назад Томас Морган, тоже нобелевский лауреат, впервые обнаружил мутацию у дрозофилы и доказал, что эта маленькая мушка - идеальный объект для генетических исследований: у нее все 4 хромосомы, способность к размножению появляется в двухнедельном возрасте, а жизнь особи длится всего 3 месяца.

Когда в распоряжении биологов оказались рентгеновские лучи и химические вещества, которыми можно вызывать направленные мутации у дрозофилы, причины врожденных пороков развития организма, в том числе и человеческого, стали проясняться. Если ребенок рождается, например, без радужной оболочки глаз или с синдромом Ваарденбурга (полная глухота, дефекты лицевых костей и изменения в пигментации той же радужной оболочки), в этом виноваты генетические мутации.

Эдвард Льюис вспоминает, что когда он был старшеклассником, на него произвела неизгладимое впечатление дрозофила с парой лишних крылышек. Учитель объяснил ему, что это результат естественной мутации. Потом были годы занятий биостатистикой в университете Миннесоты и генетикой в Калифорнийском технологическом, где он изучал гены, регулирующие развитие отдельных частей организма.

Эрик Вишаус, начинавший научные исследования вместе с Христиан Нюссляйн-Фольхард в конце 70-х в Гейдельберге, сказал на пресс-конференции в Принстоне, что он подобно Льюису тоже был заворожен видом дрозофилы, только уже не в школе, а в лаборатории Йельского университета, где он учился. И не мутации заинтриговали его тогда, а загадка: откуда одним клеткам известно, что им надлежит превратиться в головку мушки, а другим - в ее лапки. Вишаус, конечно, понимал, что отгадку следует искать в генах, а это означало - идти по стопам Эдварда Льюиса, создавшего новый подход к изучению развития организмов.

После того как самка дрозофилы отложит яйца, начинается быстрое деление клеток: две, четыре, восемь и так далее. До 16-клеточной стадии эмбрион симметричен и все его клетки одинаковы. Но потом наступает клеточная специализация, так поразившая воображение юного Вишауса. Не проходит и девяти дней, как эмбрион уже сформирован. Что же контролирует это формирование? На этот вопрос сумели ответить три нобелевских лауреата. Они открыли гены, которые с помощью тончайших биохимических маневров управляют строительством организма.

Чтобы изучить все подробности развития эмбриона, Льюис прибегнул к испытанному методу - направленным мутациям. Он изменял одно звено развивающейся системы, оставляя нетронутыми остальные звенья, потом другое звено, третье... Так он осознал значение генетического контроля на каждой стадии, которую проходил эмбрион, и постепенно нашел гены, которые заняты этим контролем.

Одни гены, как выяснилось, дают клеткам ориентацию в продольном направлении - от головы до хвоста. Другие составляют план, по которому эмбрион как бы делится на сегменты. Третьи указывают каждому сегменту, в какую группу органов тот должен превратиться. В рамках этого плана еще один набор генов управляет развитием конкретных органов - крылышек, лапок, антенн.

Самое удивительное то, что гены располагаются в хромосомах в том же порядке, что и контролируемые ими сегменты организма. Первые гены отвечают за «сборку» головы, гены в середине хромосомы - за «сборку» брюшка, а последние - за формирование хвоста. Льюис обнаружил, что мутации, ведущие к отклонениям от нормы, вроде появления четырех крылышек вместо двух, происходят как раз в этих самых генах. Лишняя пара крылышек, определившая, можно сказать, всю научную карьеру Льюиса и теперешнюю его мировую славу, получается, как он сам установил, следующим образом. Один-единственный ген, контролирующий общий баланс мушиных частей, отсутствует, и из-за этого вместо одного брюшного сегмента у эмбриона возникают два, один из которых другие гены превращает в дополнительную пару крылышек.

Результаты, которые получил Льюис, «побудили других ученых исследовать семейства аналогичных генов в высших организмах», говорится в заявлении Каролинского института. Одних побудили, но у других, как водится, вызвали известный скептицизм. В научно-попу-лярной книге Питера Лоуренса «Создание мухи» (1992) рассказывается о тех, кто не верил в генные комплексы, с которыми работал Льюис, и о его огромном мужестве, без чего он не смог бы преодолеть ни чисто научные сложности, связанные с процессом исследования, ни скептицизм коллег.

Вишаус и Нюссляйн-Фольхард этих тягот уже не испытали: Льюис проложил им дорогу. Но если Льюис имел дело главным образом с группами генов, то они решили заняться идентификацией отдельных генов. А для этого лучше всего подходил метод проб и ошибок - нудный, утомительный, но зато надежный. Много лет назад в Гейдельберге они вознамерились исследовать все 20 тысяч генов дрозофилы и определить роль каждого из них. Для этого ученым пришлось вывести более 40 тысяч мушиных семей.

Вишаус с улыбкой вспоминает о времени, которое он провел в одной из маленьких комнат лаборатории молекулярной биологии - маленьких, хотя лаборатория и называлась Европейской. «Там больше года мы с Христиан целыми днями рассматривали в микроскоп мертвых мух, - рассказывает он. - Рассматривали, определяли тип мутации и решали, у какого гена более высокий ранг ( в смысле воздействия на процессы развития), а у какого пониже.

Метод проб и ошибок принес свои плоды. Из 20 тысяч генов были отобраны 5 тысяч важных, а из них 139 самых важных, наиважнейших для процесса развития. Именно их повреждение и приводит к тяжелейшим отклонениям от нормы, вроде отсутствия мышц у новорожденного. Мало того, что исследователям удалось идентифицировать более ста генов, о которых до них ничего не было известно, - они доказали, что все до единого гены, участвующие в том или ином комплексном процессе, могут быть идентифицированы методами генетики.

Гены открыты, резюмирует Вишаус. На каждого заведено досье. Теперь настало время пойти дальше каталогизации, какой бы добросовестной она ни была. Надо понять, каким образом гены воздействуют на клетки и какие молекулярные процессы лежат в основе этого воздействия. Поскольку структура генетического аппарата дрозофил такая же, как у человека, то и молекулярные процессы должны быть идентичными, а значит, и искажения в этих процессах... Мысль ученого устремляется к контурам будущей генно-молекулярной терапии, которая позволит исправлять пороки развития, быть может, еще на стадии формирования сегментов. Так перебрасывается мостик между фундаментальными исследованиями, к которым принадлежат работы новых нобелевских лауреатов, и прикладными науками. Мостик, которого не хотят видеть «распорядители кредитов», ополчающиеся на фундаментальную науку с упорством, достойным лучшего применения.