Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей - Нил Шубин

Это простое наблюдение поставило перед Рихтером вопрос, на который он пытался ответить всю оставшуюся жизнь: что является основой врожденного суточного ритма? Как он контролируется?

Рихтер переключился на изучение слепых крыс. Эти животные, не различавшие свет и тьму, имели такой же суточный ритм сна, бодрствования и питания, как и зрячие. Рихтер решил, что в организме слепых крыс есть некий часовой механизм. Но где он?

Первыми кандидатами на роль «хранителя времени» стали железы, которые секретируют гормоны, регулирующие работу сердца, дыхание и другие функции организма. Рихтер давал крысам препараты, нарушавшие гормональный баланс, изменял их режим питания и даже удалял им гормональные железы. За несколько лет он провел более двухсот экспериментов и в каждом случае получал один и тот же результат. Вне зависимости от того, что он удалял и какой гормон блокировал, суточный ритм животных не менялся.

Затем Рихтер перешел к изучению головного мозга и нервов крыс. Он удалял участки мозга крыс и следил за результатом. В 1967 году, то есть спустя сорок пять лет после того, как научный руководитель выдал ему клетку с крысами, Рихтер удалил небольшой участок ткани в основании головного мозга. Изъятие этого небольшого (размером не больше рисового зернышка) фрагмента ткани полностью изменило поведение животных. Итак, внутренние часы крыс были спрятаны в крошечной группе клеток, расположенной непосредственно позади глаз.

Как группа клеток может следить за ходом времени? Ответ на этот вопрос нельзя было найти, удаляя отдельные участки тела. Он был получен с помощью другого научного подхода.

Часы повсюду

Генетические мутанты — это рабочие лошадки биологии. Шестипалые кошки, двухголовые змеи и сросшиеся телами козы — не просто диковинки. С их помощью мы можем понять основы строения и функционирования нормальных организмов. Гены мутантных организмов функционируют неправильно, но их научная ценность состоит в том, что они могут многое рассказать о работе нормальных генов.

Допустим, у нас имеется мутантное животное без глаз. Понятно, что между мутантным и нормальным животным существует некое генетическое различие. Чтобы выделить дефектный ген, нужно провести большую работу, но, скрещивая мутантных и нормальных животных, можно идентифицировать этот ген и даже выявить конкретное нарушение в последовательности ДНК. Знание последовательности — вот ключ к пониманию молекулярных механизмов, регулирующих формирование глаз. То же можно сказать практически о любом гене в организме.

Этот подход оказался настолько продуктивным, что многие лаборатории занялись прочесыванием популяций в поисках подходящих мутантов. Многие сделали научную карьеру и даже получили Нобелевскую премию благодаря классификации мутантов или просто благодаря находке «правильных» мутантов с дополнительными пальцами, выпученными глазами, необычными конечностями или сердцами. Награда может быть сколь угодно высока, но получение результата часто зависит от случая. Некоторые мутации обнаруживаются лишь у одной особи из ста тысяч. К сожалению, труднее всего работать с млекопитающими (которые как раз сильнее всего нас интересуют): они медленно развиваются и большую часть критического периода развития скрыты от наблюдения в чреве матери.

В частности поэтому в последние сто лет излюбленным объектом для изучения генов животных являются мухи. В отличие от млекопитающих или пресмыкающихся, мух можно добыть сколько угодно, поскольку они очень быстро воспроизводятся и развиваются. Наличие постоянного источника эмбрионов позволило ученым не только получить множество мутантов, но и описать их, классифицировать и запасти для других исследований.

Сеймур Бензер

Зачем ждать милости от природы, если можно сотворить мутанта? Процесс внесения мутаций в ДНК достаточно прост (по крайней мере в теории). Время воспроизводства мух — около недели. Если взять несколько дрозофил и обработать определенными химическими веществами или подвергнуть их облучению (это нарушает процесс копирования ДНК), то в следующем поколении мы получим множество мутантов (возможно, среди них будут нужные нам особи со странными конечностями, необычными глазами и так далее).

В конце 60-х годов лаборатория Сеймура Бензера в Калифорнийском технологическом институте являлась ведущим научным центром по изучению мутантов всех сортов. Студент Рональд Конопка решил использовать мутантов по-своему. В лаборатории Бензера занимались изучением поведения животных, и к тому времени, когда Конопка пришел в группу, в лаборатории уже были собраны мутанты с необычным брачным поведением и танцами.

Конопка намеревался использовать мутантов, чтобы изучить генетические основы биологических часов. Его идея шла вразрез с общепринятой точкой зрения. Тогда считалось, что биологические часы — это что-то вроде очень сложно устроенного секундомера.

Но Конопка оказался в нужном месте и в нужное время: Бензер был кровно заинтересован в выяснении принципа действия биологических часов. Он был типичной «совой» и засиживался в лаборатории до поздней ночи, тогда как его жена ложилась спать вскоре после ужина. Возможно, мутантные мухи смогут помочь супругам, встречающимся лишь за обеденным столом.

Конопка долго возился с дрозофилами. Личинки дрозофил выводятся из яиц, едят и наконец обзаводятся твердым внешним каркасом, из которого в итоге вылезает взрослая муха. Появление взрослых особей обычно приходится на раннее утро — самое холодное время суток. Так уж настроены мушиные внутренние часы: мухи, выведенные в искусственном цикле день/ночь, выводятся в конце ночного периода.

Примерно через двести циклов мутаций Конопка получил несколько особей, у которых временные рамки были смещены: некоторые вылуплялись слишком рано, другие слишком поздно, а третьи вообще в случайное время суток. Это было то, что нужно: изменение времени рождения практически наверняка было вызвано какими-то генетическими дефектами. Возможно, был испорчен часовой механизм дрозофилы.

В лаборатории мух каждого типа скрестили с такими же и вывели линии мутантных животных. С их помощью Конопка и Бензер начали исследование молекулярного механизма биоритмов.

Как и любой ген, ген Конопки производит белок, выполняющий в организме некую работу. Если ген известен, можно попытаться ответить на важный вопрос, где и когда функционирует кодируемый им белок. У нормальных дрозофил уровень синтеза этого белка достигает максимума в поздние ночные часы, а затем падает практически до нуля. Знание этой закономерности позволило ученым понять суть обнаруженных мутаций. У дрозофил, которые вылуплялись слишком рано, максимальный уровень синтеза данного белка тоже достигался слишком рано. У тех, что появлялись поздно, пик синтеза наблюдался слишком поздно. Сам белок у дрозофил с нарушенным суточным ритмом оказался испорченным. Снижение активности белка полностью соответствовало нарушению суточного ритма.

К этому времени ученые из других лабораторий тоже приступили к решению этой проблемы. С помощью новых методов генетики удалось выделить ДНК и обнаружить ряд других генов, задействованных в данной системе. С открытием каждого нового гена постепенно прояснялся механизм работы биологических часов дрозофилы.

Если заглянуть в «часовой механизм» организма, мы увидим внутриклеточный аналог маятника. В данном случае отсчет времени осуществляется благодаря последовательностям химических реакций, скорости которых определены физическими и химическими законами. В результате активации ДНК синтезируются взаимодействующие друг с другом белки. Они транспортируются в определенные клеточные отделы и выполняют различные задания, среди которых активация новой порции ДНК. Этот цикл постоянно возобновляется. Скорость раскачивания маятника определяется скоростью образования, превращения и транспорта белков, а также скоростью их взаимодействия с ДНК.

Мутантные дрозофилы позволили не только обнаружить гены, контролирующие биологический ритм у дрозофил, но и найти способ изучения часового механизма в организме человека.

Спустя примерно десять лет после открытия Конопки и Бензера студент Мартин Ральф занялся поиском генов, контролирующих биоритмы у млекопитающих. Ральф и его научный руководитель работали в Орегоне с сирийскими хомячками. Хомяки бегали в колесе, а ученые регистрировали их активность. В норме у хомяков есть периоды активности и отдыха, которые в сумме составляют двадцать четыре часа.

Каждый хомяк, поступавший в лабораторию, подвергался тестированию на колесе. Ральф надеялся, что однажды обнаружит животное с аномальным ритмом активности и отдыха. Он поставил на то, что среди еженедельно поступавших хомяков рано или поздно найдется мутантное животное.