Все генетические переключатели, определяющие формирование пальцев, запястья, костей плеча и предплечья, срабатывают в период с третьей по восьмую неделю после зачатия. В самом начале своего развития человеческие конечности представляют собой крошечные зачатки в виде выростов на поверхности тела эмбриона. Две недели эти выросты увеличиваются в размерах, пока на конце их не образуется уплощенное расширение. Внутри этого расширения располагаются миллионы клеток, из которых в конечном итоге разовьются скелет, нервы и мышцы, которыми человек будет пользоваться всю оставшуюся жизнь.
Для изучения процессов формирования всех этих структур нужно исследовать строение эмбрионов и иногда вмешиваться в процесс их развития, чтобы выяснять, что происходит, когда развитие идет как-то неправильно. Кроме того, нужно исследовать различных мутантов, их внутреннее строение и их гены, иногда на материале специально выведенных мутантных пород.
Развитие конечности на примере крыла цыпленка. Все ключевые стадии развития скелета крыла проходят внутри яйца.
Конечно, нельзя изучать такими методами людей. Главная задача ученых, которые первыми начинали подобные исследования, состояла в том, чтобы найти таких животных, исследование которых откроет нам тайну нашего собственного развития. Пионеры экспериментальной эмбриологии, занявшиеся развитием конечностей в тридцатые и сороковые годы прошлого века, столкнулись с несколькими проблемами. Им нужно было выбрать организм, у которого конечности зародыша были бы доступны для изучения и экспериментов. Этот зародыш должен быть сравнительно крупным, потому что иначе с ним нельзя работать хирургическими методами. Также немаловажно, чтобы этот зародыш развивался в условиях, защищающих его от воздействия сотрясений и других внешних факторов. Кроме того, и это совершенно необходимо, зародыши должны быть доступны круглый год и в большом количестве. Вполне закономерно, что ученые остановили свой выбор на объекте, который мы покупаем в магазине, — на курином яйце.
В пятидесятые и шестидесятые годы некоторые биологи, в том числе Эдгар Цвиллинг и Джон Сондерс, провели ряд остроумных экспериментов на куриных яйцах, чтобы разобраться в том, как формируется структура скелета. Куриные эмбрионы в то время буквально разбирали и собирали по кусочкам. Их оперировали, перемещая на другие места фрагменты разных тканей, чтобы увидеть, как это скажется на развитии эмбриона. Такой подход предполагал использование тончайших методов микрохирургии и манипуляций с кусочками тканей толщиной не больше миллиметра. Пользуясь этими методами, Цвиллинг и Сондерс выявили некоторые ключевые механизмы, лежащие в основе формирования таких разных конечностей, как птичьи крылья, ласты китов и человеческие руки.
Они открыли два небольших участка ткани, которые управляют всем развитием скелетных структур внутри конечности.
Более того, крошечная полоска ткани на самом конце зачатка по сути управляет вообще всем процессом развития конечности. Стоит удалить эту полоску, и развитие останавливается. Если удалить ее на раннем этапе, у зародыша разовьется только плечо или его часть. Если удалить немного позже, разовьется плечо и предплечье. Если удалить еще позже, конечность сформируется почти полностью, но пальцы будут короткими и деформированными.
Еще один эксперимент, впервые поставленный Мэри Гасселинг в лаборатории Джона Сондерса, открыл новое перспективное направление исследований. Возьмем небольшой участок ткани с той стороны зачатка конечности, где должна сформироваться сторона мизинца, на раннем этапе развития и пересадим этот участок на противоположную сторону зачатка, чуть пониже того места, где должен сформироваться первый палец. Дадим зародышу цыпленка развиваться дальше и сформировать крыло — и получим результат, который когда-то почти для всех оказался откровением. Крыло цыпленка развилось целиком, но у него был полностью удвоенный набор пальцев. Кроме того, что еще примечательнее, дополнительный набор пальцев был зеркальным отражением нормального набора. Очевидно, что-то внутри этого участка ткани, какое-то вещество или ген, направляло процесс формирования всех пальцев конечности. Это открытие вызвало настоящую лавину новых экспериментов, которые позволили узнать, что точно такого же эффекта можно добиться и множеством других способов. Например, можно взять куриный эмбрион и вколоть немного витамина А в зачаток его конечности или просто ввести витамин А в яйцо и дать цыпленку развиваться дальше. Если ввести витамин А в определенном количестве и на определенном этапе развития, можно получить такие же зеркально удвоенные конечности, как в опытах Гасселинг, Сондерса и Цвиллинга с пересадкой участка ткани. Этот участок назвали зоной поляризующей активности (ЗПА). По сути ЗПА и служит тем фактором, который делает сторону мизинца отличной от стороны большого пальца. Разумеется, у цыпленка нет ни настоящего мизинца, ни настоящего большого пальца, потому что пальцы в птичьих крыльях редуцированы. Мы пользуемся этими терминами условно, для обозначения тех сторон конечности, где у наделенных пятью пальцами позвоночных образуются пятый и первый пальцы соответственно.
Пересадка небольшого участка ткани, так называемой ЗПА, приводит к удвоению пальцев
Эти открытия вызвали немалый интерес: получалось, что ЗПА каким-то образом управляла образованием пальцев. Но как? Некоторые ученые считали, что клетки ЗПА производят вещество, которое затем распространяется по зачатку конечности, указывая клеткам, какие пальцы им формировать. Главная идея была в том, что в основе всего этого явления могло лежать действие какого-то неизвестного вещества. В участках, близких к ЗПА, где концентрация этого вещества высока, клетки реагируют формированием мизинца. На противоположной стороне развивающейся руки, далеко от ЗПА, это вещество разбавлено, и клетки реагируют на это формированием большого пальца. Клетки, расположенные посередине, тоже реагируют соответственно концентрации этого вещества, формируя указательный, средний и безымянный пальцы.
Идею зависимости формирования пальцев от концентрации некоторого вещества вполне можно было проверить. В 1979 году Деннис Саммербелл вживил крошечный фрагмент фольги в зачаток конечности цыпленка между участком ЗПА и остальной конечностью. Замысел был в том, чтобы предотвратить просачивание каких-либо веществ от ЗПА на другую сторону конечности. Затем Саммербелл пронаблюдал, что происходило с клетками по обе стороны от этой преграды. Клетки на стороне ЗПА формировали пальцы. Клетки на другой стороне не всегда формировали пальцы, а если формировали, то недоразвитые и деформированные. Вывод был очевиден: некое вещество, выделяемое ЗПА, действительно управляет формированием пальцев и определяет их облик. Чтобы выделить это вещество, исследователям пришлось обратиться к ДНК.
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 управляют действием ЗПА.
Важный прорыв был сделан в 1993 году, когда охотой на эти гены занялись в лаборатории Клиффа Тейбина в Гарварде. Целью этой охоты было выяснить, какие молекулярные механизмы дают ЗПА способность делать мизинец непохожим на большой палец. К тому времени, когда группа Тейбина начала работу в начале девяностых, ряд экспериментов вроде тех, что я описал выше, привел ученых к убеждению, что в основе всего этого явления лежало какое-то вещество. Великолепная теория, если не считать того, что никто не знал, что это за вещество. Люди предлагали на эту роль то одно соединение, то другое и всякий раз убеждались, что эти вещества не оказывают искомого действия. Наконец сотрудники лаборатории Тейбина применили другой подход, имеющий непосредственное отношение к предмету нашей книги. Они решили обратиться за ответом к мухам.