Барбара Макклинток и кукуруза

Подобно группе Моргана, Макклинток начала работу с поиска методов визуализации хромосом. Обрабатывая кукурузу несколькими красителями, она смогла составить подробную карту в виде темных и светлых полос. А потом ей повезло. Она нашла фрагмент хромосомы кукурузы, в котором часто происходило расщепление хромосомы, как будто в этом месте был какой-то структурный дефект. Сосредоточившись на этом участке, Макклинток составила его подробную карту в разных зернах. К своему удивлению, она обнаружила, что этот нестабильный фрагмент перемещается в геноме с места на место. Столь простое наблюдение привело к формулировке одной из важнейших концепций в истории генетики: геном не статичен, гены могут перемещаться с места на место.

Макклинток на этом не остановилась. Она была внимательным и основательным исследователем и не хотела рассказывать миру о своем открытии, пока не выяснит его значения. Ее интересовало, оказывает ли перемещение генов какое-то влияние на зерна. Что, если прыгающий ген приземлится там, где расположен другой ген?

Для ответа на вопрос Макклинток воспользовалась особыми свойствами кукурузы. По мере деления клеток в них происходит образование пигмента. Зерно начинает развиваться от единственной клетки, которая непрерывно делится. Если исходная клетка окрашена, скажем, в лиловый цвет, зерно будет состоять из потомков этой клетки, тоже лиловых. Но вообразите, что в процессе деления в одной из клеток происходит генетическое изменение, в результате которого ген лилового пигмента претерпевает мутацию. Дочерние клетки этой клетки не станут лиловыми, они будут иметь “неправильный” цвет, обычно белый. Эти белые клетки продолжат делиться, создавая потомство белых клеток. В результате сформируется почти полностью лиловое зерно с белым пятном.

Отслеживая появление цветовых пятен на каждом зерне, Макклинток могла понять, где и когда в генах зерен произошли мутации. Она могла проанализировать мутации в каждом зерне и повторить эксперимент в тысячах зерен в каждом початке. Она исследовала сотни тысяч зерен, чтобы в результате скрещивания получить образцы разного цвета с разными пятнами. Она установила, что мутации цвета могут включаться и выключаться, и опять включаться. Исследуя хромосомы, как это делали Бриджес и Морган, она обнаружила, что мутации возникают тогда, когда нестабильный фрагмент хромосомы перескакивает на новое место и оказывается внутри гена пигмента. Встроившись в ген пигмента, он может нарушить его активность, так что пигмент не вырабатывается. Когда нестабильный фрагмент покидает данное место, пигмент вновь может синтезироваться. Геном кукурузы наполнен генами, которые производят собственные копии и перескакивают с места на место, приводя к образованию цветных пятен на зернах.

После нескольких десятилетий таких исследований Макклинток рассказала о своей идее во время доклада в лаборатории Колд-Спринг-Харбора, где она работала. У собравшихся ученых идея не вызвала большого интереса. Ее не поняли, не поверили, а может, подумали, что это открытие касается только кукурузы. Макклинток так описывала их реакцию: “Они решили, что я сошла с ума, совсем свихнулась”.

Такое положение дел сохранялось на протяжении десятков лет. Но Макклинток упорствовала и составляла карты прыгающих генов в тысячах початков кукурузы. В то время она думала так: “Если вы понимаете, что правы, остальное не важно. Вы знаете, что рано или поздно все выяснится”.

В 1977 году в других лабораториях были получены доказательства существования прыгающих генов в бактериях, в мышах и, вообще говоря, во всех видах организмов, которые были исследованы. Еще одна неожиданность открылась при изучении самих генов. Наш геном переполнен прыгающими генами: на их долю приходится до 70 % его состава. Прыгающие гены – это правило, а не исключение. Многократно повторяющиеся элементы нашего генома, такие как ALU и LINE1, — примеры последовательностей, представленных в виде миллионов копий. Это прыгающие гены, которые производят копии самих себя и встраиваются в любые участки генома. Рой Бриттен заметил их в своих элегантных предварительных экспериментах в 1960-х годах.

В 1983 году Барбара Макклинток была удостоена Нобелевской премии в области физиологии и медицины. А до этого, в 1970 году, президент Ричард Никсон наградил ее Национальной научной медалью США. Во время церемонии Никсон выразился довольно бессмысленно в научном плане, но признал важность вклада Макклинток. Он сказал: “Я прочел [объяснение вашей научной работы] и должен вам сказать, что я его не понял”. И далее: “Но я также должен вам сказать, что, поскольку я не понял, я осознаю, какой это невероятно важный вклад для нашей нации. В этом, по моему мнению, заключается природа науки”.

Геном не есть нечто закостенелое и статичное. В геномах бурлит активность. Удваиваются гены, копируются целые геномы. Гены производят копии самих себя и перепрыгивают с места на место.

Представьте себе два типа генов в геноме: функция одних заключается в производстве белков, а другие просто живут, чтобы прыгать повсюду и производить собственные копии. Что с течением времени произойдет в таком случае? При прочих равных условиях копии будут составлять большую часть генома. Это одна из причин, почему две трети нашего генома образовано повторяющимися последовательностями, такими как LINE1 и ALU. Если их не контролировать, они займут все пространство. Единственное, что может остановить распространение этих паразитов, полностью вышедших из-под контроля, – гибель хозяйского организма, тогда со временем они и сами исчезнут. Особи с абсолютно бесконтрольно прыгающими генами погибнут и не передадут их следующему поколению. Эгоистичные гены и их хозяева находятся в напряженных отношениях, фактически в состоянии войны, поскольку эгоистичные гены существуют только для того, чтобы создавать свои копии, и от этого страдает геном хозяина.

Как в Apple при Стиве Джобсе, в биологии копирование – мать изобретений: в геноме плагиат служит источником бесчисленных генетических новшеств. Зачастую, как в технологии, бизнесе и экономике, поломки могут приводить к революции. Клетки животных переживают поломки на протяжении миллиардов лет, и, как мы увидим, такие изменения могут приводить к возникновению совершенно новых способов существования.

Семена моей научной работы были засеяны во время еженедельного ритуала, который я совершал в бытность аспирантом в 1980-х годах. По четвергам утром я вползал по лестнице на пятый этаж, туда, где находится большая часть запасников Гарвардского музея сравнительной зоологии. Я направлялся к коллекции птиц, расположенной в помещении со скрипящими деревянными полами и полотком высотой в двадцать футов. На стенах коробки и полки со скелетами, перьями и образцами кожи, собранными во время экспедиций XIX и XX веков. Воздух пропитан запахом нафталина, защищающего образцы кожи, – а еще историей орнитологии и науки в целом. Именно эта связь с прошлым меня и привлекала: я приходил сюда, чтобы встретиться с вышедшим на пенсию восьмидесятилетним куратором отдела птиц Эрнстом Майром.