В интернете кто-то неправ! Научные исследования спорных вопросов - Ася Казанцева

Число докторских степеней по биологии, присуждаемых в США, за последние 30 лет выросло почти вдвое [1], а число используемых животных при этом не увеличилось. Крыс и мышей (а также рыб, амфибий, рептилий и птиц) в США не подсчитывают с точностью до особи, но, по приблизительным оценкам, общее число позвоночных, используемых в экспериментах, составляло около 20 миллионов в год в середине восьмидесятых [2] и около 17 миллионов в год в середине нулевых [3]. Гораздо более точная статистика существует для всех млекопитающих помимо крыс и мышей (то есть для хомяков, кроликов, свиней и т. д.) – в 1984 году было использовано чуть больше 2 миллионов этих животных, а в 2014 ровно 834 453 штуки [4]. Эти цифры кажутся внушительными только до тех пор, пока мы не сравниваем их с количеством животных, ежегодно используемых в пищу. Например, с 8 666 662 000 куриц, съеденных в Америке в 2014 году [5].

Для чего нужны лабораторные животные? Три миллиона мышей, использованных в 2013 году в Великобритании, распределены [6] следующим образом. 59 % животных задействованы в получении новых линий с помощью разнообразных методов генетической модификации, 28 % двигают фундаментальную науку, 11,5 % нужны для прикладных медицинских исследований. По 0,5 % животных требуется для ветеринарных и экологических исследований, а оставшиеся полпроцента делят образовательные проекты и использование мышей для диагностики (например, если у вас есть пациент с подозрением на ту или иную инфекционную болезнь, но стандартные тесты ее пока не выявляют, можно взять у него немного крови, попробовать заразить мышей и понаблюдать за их состоянием).

Если я корректно поняла британскую статистику, то эти 59 % отражают промежуточный этап исследований. Это те животные, чей геном был каким-то образом изменен, а теперь их скрещивают друг с другом для получения генетически однородных линий и проверяют, действительно ли измененные гены теперь работают (или, наоборот, перестали работать) именно так, как это было задумано. Когда этот процесс будет закончен, они начнут участвовать в фундаментальных или прикладных исследованиях. Значительная часть таких животных нужна для понимания причин человеческих болезней [7]. У вас есть какой-нибудь ген, про который вы точно знаете (или предполагаете), что его мутации увеличивают у людей риск развития диабета, или болезни Альцгеймера, или атеросклероза, или какой-нибудь разновидности рака. Вы находите соответствующий ген у мыши, нарушаете его работу, убеждаетесь, что полученные животные действительно чаще заболевают, а затем выясняете, почему именно это происходит и какие лекарственные вещества могут компенсировать полученный эффект.

Такой подход получается широко применять как раз благодаря тому, что мы с мышами родственники и многие гены у нас практически идентичны. Но бывает и другая задача: исследование тех генов, которые в случае человека, наоборот, заметно отличаются не то что от мышиных, а даже от генов шимпанзе. Почти каждый такой ген, естественно, подозревают в том, что он “делает нас людьми”, и иногда с помощью генетически модифицированных мышей можно получить забавные подтверждения для этой гипотезы.

Самая знаменитая – и самая важная – из таких историй началась в конце 1980-х в одной из начальных школ города Брентфорда (де-факто это часть Лондона). Элизабет Ожер, которая занималась там с детьми, отстающими от школьной программы, обратила внимание на то, что сразу несколько учеников из одной семьи демонстрируют сходные нарушения речи. Они начинали говорить поздно, произносили слова неразборчиво (например, bu вместо blue), не использовали предложений длиннее двух-трех слов, с трудом подбирали слова и часто использовали их неточно (например, говорили “стакан” или “чай”, когда им показывали чашку и просили сказать, как называется этот предмет), а также испытывали трудности с восприятием грамматических конструкций (например, не чувствовали разницы между предложениями “за девочкой бежит лошадь” и “девочка бежит за лошадью”). При этом у детей не было умственной отсталости, они нормально справлялись с математикой, умели читать и писать; проблемы были связаны именно с устной речью. Элизабет и ее коллеги по школе обратились в отделение клинической генетики Лондонского детского госпиталя. Специалисты, работавшие там, составили родословную семьи [8]. Выяснилось, что ребенок может унаследовать заболевание от своего родителя с вероятностью 50 % и у детей в одной и той же семье проблема может либо быть ярко выраженной, либо полностью отсутствовать. Это классическая картина наследования одной-единственной доминантной аллели[49], и это стало сенсацией: до тех пор предполагалось, и небезосновательно, что в развитие речи вносят вклад много разных генов. Их действительно много, но среди них удалось выявить один особенно важный. Позже его идентифицировали; назвали FOXP2; выяснили, что он кодирует фактор транскрипции (белок, который активирует считывание некоторых генов), важный для развития мозга; что этот белок у человека всего на две аминокислоты отличается от белка шимпанзе и что у неандертальцев он был таким же, как у нас; что FOXP2 задействован во многих процессах, связанных с развитием мозга, но самое главное – он связан с речью не только у людей, а, по-видимому, вообще у всех животных, у которых в той или иной форме присутствует звуковая коммуникация между сородичами. Например, это касается певчих птиц: в норме зебровые амадины довольно точно воспроизводят песню, которую слышали в детстве, а вот при подавлении работы FOXP2 издают вместо единой мелодии довольно разрозненные (и все время разные) звуки [9].

Вы уже заметили, что в большинстве случаев новую информацию о функциях генов получают так: находят или создают существо, у которого этот ген сломан, и смотрят, что испортилось. FOXP2 не исключение: созданы мыши, у которых он просто выключен. В том случае, если у них не работала ни одна копия гена (вообще их две: унаследованная от мамы и от папы), животные в принципе чувствовали себя очень плохо, но в том числе у мышат полностью отсутствовал ультразвуковой писк, который они в норме используют, чтобы звать маму. Если одна нормальная копия гена все же присутствовала, мышата пищали, но намного меньше, чем обычные [10].

Но можно и не портить гены мышей, а напротив, извините за антропоцентричность, их улучшить. А именно – заменить мышиный FOXP2 на человеческий и посмотреть, что за зверь получится. Такие мыши были впервые созданы в 2009 году [11]. Они отличались от обыкновенных мышей по целому ряду структурных и функциональных особенностей мозга, но в контексте истории про речь самое интересное наблюдение было связано с тем, что унесенные из гнезда мышата действительно пищали немножко по-другому, например, у них были более длинными эпизоды сложного писка (с перепадами звуковых частот). Впрочем, научное сообщество больше заинтересовали не отличия в писке, а отличия в обучаемости. В 2014 году вышло большое исследование [12], в котором мыши с человеческим FOXP2 (животных, которых в исследовательских целях делают в чем-либо похожими на людей, так и называют: гуманизированные) и обычные мыши блуждали по лабиринтам в поисках еды.

Существует два способа определить, какой из коридоров ведет к кормушке. Во-первых, можно смотреть на внешние ориентиры. “Еда будет в той стороне, где нарисован крестик”, – могла бы сказать мышь, если бы она была для этого достаточно гуманизированной. Во-вторых, можно запоминать собственные движения. “Прямо и направо”, – пояснила бы мышь. В ходе предварительных испытаний ученые отметили, что гуманизированные мыши учатся использовать внешние ориентиры быстрее, чем обычные мыши. Однако интересовало исследователей другое: как быстро животное может отказаться от стратегии, утратившей актуальность. После того как ученые две недели демонстрировали мышам, что для поиска еды нужно поднять голову, посмотреть на стенку лаборатории, увидеть нарисованный крестик и идти в этом направлении, – они взяли и перевернули лабиринт на 180 градусов. Если они при этом и еду начинали класть в другой рукав, чтобы она снова оказывалась рядом с крестиком, то обычные и гуманизированные мыши одинаково быстро понимали, что верить нужно только крестику, и неважно, что поворачиваем мы теперь не направо, а налево. А вот если поворачивать нужно было по-прежнему направо, а крестик игнорировать – то гуманизированные мыши заметно быстрее переключались на правильное поведение.

Почему это важно? Потому что такой результат обучения показывает, что мыши с человеческим FOXP2 лучше заучивают собственные движения. Как показали авторы этой же работы, у гуманизированных мышей по-другому работает полосатое тело – участок мозга, необходимый для формирования сложных и многоэтапных двигательных реакций. Это позволяет предположить, что человеческий FOXP2, помимо прочих своих функций, может быть связан с нашей сложной артикуляцией, способностью быстро и согласованно управлять губами, языком, голосовыми связками, чтобы порождать множество разнообразных звуков. Понятно, что требуются дальнейшие исследования – и в них явно не будет недостатка.