Двенадцать модельных организмов

Привет! Меня зовут Сергей Мошковский. Дорогая редакция «Биомолекулы», выпустив настенный календарь о модельных организмах на 2020 год, заказала было мне лонгрид, который должен был, как суровый конвой, сопровождать календарь на сайте. Минутная слабость — сколько их было в жизни! — и я уже соглашаюсь. Но как писать? Ведь о каждой модельной скотинке, нарисованной на календаре, — как и о нескольких десятках не поместившихся туда, — написаны тома научной и даже популярной литературы. Придется писать не по-журналистски, из головы — как бы не вышло чего-то вроде поэмы «Москва — Петушки», где вместо станций — модельные организмы. Я и еще несколько авторов представляем вам на суд собранье пестрых глав — они будут выходить в течение всего 2020 года. Читатель, прости! Ты знаешь, кого за это винить!

---

Партнер цикла — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Конструктор для биологии — Мышиный секс в аббатстве — Эдем через замочную скважину — Ошибки приводят к трагедиям — Нет острову доктора Моро

Что вообще такое модельные организмы? Что они моделируют?

А они воплощают в своем устройстве или поведении процессы, знания о которых можно потом перенести на другой, по каким-то причинам более интересный, но менее доступный для работы организм. Например, на человека, эксперименты на котором ограничены клиническими исследованиями. Но не стоит ограничиваться в аналогиях этим весьма обильно размножившимся гоминидом. Например, результаты экспериментов на аквариумной рыбке данио могут быть перенесены на редкие, вымирающие виды рыб для их охраны; исследования маленького сорняка арабидопсиса рассказывают о физиологии всех высших растений; а благодаря исследованиям на дрожжах мы вообще узнали ни много ни мало подробности клеточного цикла эукариот.

Но для того, чтобы научиться полноценно использовать модели в исследованиях, научному сообществу пришлось пройти долгий путь.

История моделирования — горох, ястребинка, пчелы, собаки и микробы

История использования модельных организмов заслуживает отдельной толстой книги. (Однако мы оставим этот почтенный труд другим авторам, а сами в нашем Cпецпроекте ограничимся серией сравнительно легкомысленных очерков.) Первые эксперименты такого рода известны из античности. Опыты на животных, например, проводил Аристотель, живший, напомним, в IV в. до н.э. Далее эксперименты на животных и растениях происходили эпизодически, но без какой-либо системы до эпохи Просвещения, когда в естественных дисциплинах сформировался близкий к современному нам научный подход. Грегор Мендель — надеемся, аудитории не требуется сноска, чтобы узнать, кто это — в середине XIX века работал с несколькими модельными видами. В каком-то смысле Мендель олицетворял переход от прошлого к будущему — будучи ученым монахом (почти единственный формат европейского ученого с VII по XVIII век), он, опережая время, продемонстрировал статистический, доказательный подход к исследованиям. В Августинском аббатстве Святого Томаша города Брно Мендель начал эксперименты с наследованием признаков у мышей. Но для изучения этого вопроса подопытным мышам приходилось заниматься сексом прямо на территории монастыря — более того, в келье естествоиспытателя, что не понравилось епископу. Тогда Мендель переключился на обычный садовый горошек, благо в его распоряжении находилось два гектара монастырского огорода. Эксперименты отняли несколько лет (с мышами вышло бы быстрее), зато Менделю удалось открыть самые базовые законы генетики, которые сейчас носят его имя.

Существует легенда об Аристотеле, будто он где-то написал, что у мухи восемь ног. Но, похоже, эта ошибка, в отличие от некоторых других, приписывается ему незаслуженно.

Увы! Попытавшись повторить эксперименты на других моделях — растении ястребинке и пчелах [1], — Мендель потерпел сокрушительное поражение: открытые им закономерности у этих живых существ не наблюдались. Это сейчас мы знаем, что законы Менделя фундаментальны, а ястребинка и пчелы — относительно редкие организмы, в которых эти законы работают нетипично. Но Мендель, видимо, испытал тяжелое разочарование и навсегда завязал с наукой. Этот пример показывает нам, как важно подобрать правильный модельный организм и как трагически может обернуться ошибка в выборе.

Одновременно систематические эксперименты с животными ознаменовали расцвет физиологии, с которым, среди прочих, связаны имена Клода Бернара (известного, впрочем, жестокими опытами на собаках и кроликах) и, конечно, Ивана Павлова, знаменитого рязанца, чья собака в собирательном смысле стала международным мемом. Примерно в то же время в мир экспериментальных организмов ворвались микробы, которые стали, пожалуй, главными по числу важных открытий моделями XX века. Подробнее об истории модельных организмов, используемых до наших дней, читатель сможет узнать из дальнейших материалов спецпроекта — они будут выходить на Биомолекуле в течение всего 2020 года, по первым числам каждого месяца.

А почему модельный организм в лаборатории, а не биолог с микроскопом и секвенатором в дождевом тропическом лесу?

Зачем вообще эта дерзость: конструировать модели из готовых организмов, созданных природой, Творцом — как вам будет угодно? Почему нельзя их изучать как они есть? Но это не дерзость — это слабость. Мы до сих пор очень мало знаем о работе живых систем [2]. Даже крошечную, 0,3-микронную бактерию микоплазму, в которой всего 700 генов (сравним с 2 тыс. у кишечной палочки или с 20 тыс. у человека [3]), современная биология не может исчерпывающе описать с точки зрения молекулярных взаимодействий и работы системы в целом, что же тогда говорить о многоклеточных организмах? Мы, биологи, смотрим сквозь замочную скважину в дождевой тропический лес (читай, Эдем) природы (рис. 1) и видим один листик. Если напряжемся, можем немного повернуть нашу скважину, воплощенную в виде электронных микроскопов, секвенаторов и масс-спектрометров, и увидеть соседний. А если сильно повезет — целую веточку. Поэтому, чтобы хоть в чем-то разобраться, нам нужно упрощение. А упрощение — это и есть модель.

Вот так, например, мы выводим путем близкородственного скрещивания — инбридинга — очень похожих животных и меняем в них всего один признак. Например, «нокаутируем» — выключаем работу всего одного гена — и смотрим, что произошло с животным. Так мы убеждаемся, что изменения произошли в поле зрения нашей замочной скважины, в которую виден один листик Эдема — выбранный нами ген. Недавно нам попалась работа [4], в которой у мыши изменяли всего один нуклеотид, в результате не происходила модификация в этом остатке матричной РНК, и оставался неизмененным всего один аминокислотный остаток белка филамина А. И даже такое мизерное, казалось бы, вмешательство заметно влияло на работу сердечно-сосудистой системы. Вот классический случай моделирования на животном, которое стремится получить понятный, легко интерпретируемый результат.

Но у этой медали есть и оборотная сторона. В некотором смысле изучение жизни по модельным организмам — это как бы изучение коровы по котлете: кое-что нам удается узнать, но иногда полученные факты оказываются обрывочными, искаженными или вообще артефактами. Часто данные, полученные на одной модели, не подтверждаются на другой. Мы уже рассказали одну грустную историю — про Менделя, ястребинку и пчел. Но есть еще одна, и не просто грустная, а трагическая.

В 1954 году немецкие фармакологи синтезировали новое вещество под названием талидомид. В экспериментах оно показало хороший успокоительный и снотворный эффект, исследования на мышах не выявили никаких побочных действий, и через два года оно было одобрено как мягкое снотворное и средство от утренней тошноты для беременных. Его принимали беременные женщины в десятках стран мира, и в результате несколько тысяч детей родились с тяжелыми пороками развития.

Выяснилось, что талидомид обладает сильнейшим тератогенным эффектом на людях, но на мышах этот эффект не проявляется, а на других грызунах проявляется слабо. Сильный тератогенный эффект обнаружился на кроликах, но на кроликах это лекарство никто не исследовал [5]. Эта ужасная история показала, что некорректный выбор модели для исследования не просто искажает какие-то научные теории и заводит ученых в тупик, а напрямую влияет на человеческие, и, самое ужасное, детские жизни. Талидомидовая катастрофа основательно встряхнула не только научный мир, но и общество в целом. В результате были приняты новые правила тестирования лекарственных средств, и подобные истории с тех пор не повторялись.

Подробнее об ошибках интерпретации результатов медицинских исследований на модельных животных читайте в отличной книге Петра Талантова «0,05. Доказательная медицина от магии до поисков бессмертия» [6].

Есть еще одна особенность моделирования на крысах заболеваний человека — не трагическая, а просто досадная. Дело в том, что в течение долгих десятилетий ХХ века львиная доля исследований шла на самцах крыс, а не на самках. Самки, в организмах которых бушуют гормональные бури, связанные с эстральным циклом, беременностью и родами, считались более изменчивыми по многим исследуемым параметрам и поэтому менее пригодными для экспериментов. Парадокс в том, что иногда моделируемые заболевания или исследуемые лекарства имели куда большее значение для женщин, чем для мужчин. Из этой логики получалось, что самка крысы сильнее отличается от самца, чем самец крысы отличается от женщины. К счастью, постепенно ситуация выправляется, и в последние 20 лет самок крыс всё больше и больше включают в исследования. Попутно выяснилось, что во многих экспериментальных моделях (например, в нейронауках) такой фактор, как пол, не играл особой роли [7].

Регулярные «течки» (эструсы) — периоды, когда организм самки готов к спариванию и зачатию.

Под занавес — об этике

Говоря о модельных животных, нельзя не упомянуть этические вопросы, которые касаются гуманного обращения с ними. Вплоть до середины двадцатого века с ними совершенно не церемонились, не вводя в исследование никаких этических ограничений (подробностей мы упоминать не станем, чтобы не шокировать читателей). В культуре образ вивисекции (в просторечии — живодерства) вовсю использовался в романе «Остров доктора Моро» Герберта Уэллса (рис. 2). В этом произведении жестокие эксперименты над животными показаны критично, в неприглядном свете. Наверное, это в той или иной мере отражает настроения в западном обществе того времени, которое начало задумываться о моральных принципах в науке.

Сегодня в науке существуют этические нормы обращения с модельными животными. В законодательной форме они, например, разработаны в Европейском союзе. Вначале в 1986 году в виде межгосударственного соглашения, а затем, с дополнениями, в 2010 году была принята Директива 2010/63/eu Европейского парламента и Совета Европейского союза по охране животных, используемых в научных целях. Под такую охрану в документе взяты все позвоночные животные, начиная с круглоротых — миног и миксин, а также обладающие высоким интеллектом головоногие моллюски — «приматы моря». Документ со всеми подробностями регламентирует обоснованность проведения экспериментов на животных, условия их содержания, принципы минимизации вреда и эвтаназии, в случае ее необходимости.

Уважаемые научные издания требуют соблюдения этих принципов, а научные лаборатории проходят по ним регулярный аудит. В России пока нет документов, регламентирующих эксперименты над животными в науке. Здесь действует лишь более общий по смыслу закон об ответственном обращении с животными. Тем не менее, российская Ассоциация специалистов по лабораторным животным (Rus-LASA) активно распространяет современные принципы гуманного обращения с модельными животными в нашей стране. Остается надеяться, что те отечественные исследователи, которые хотят публиковать результаты в международных научных журналах, следуют этическим принципам, которые требуются для таких статей.

Итак, подобно мастеру Гамбсу, а скорее, самому Остапу Бендеру, этой вводной заметкой мы начинаем свои «Двенадцать модельных организмов» в виде Спецпроекта. Весь следующий (2020) год мы будем радовать вас (надеемся) небольшими (обещаем!) эссе, посвященными роли этих существ в научном обиходе и в нашей жизни. До встречи 1 января за бокалом шампанского!

Благодарность

По этическим вопросам обращения с животными в науке авторов консультировал президент Ассоциации специалистов по лабораторным животным (Rus-LASA) Владимир Попов, за что мы ему искренне признательны.

Литература

1. Ross Bicknell, Andrew Catanach, Melanie Hand, Anna Koltunow. (2016). Seeds of doubt: Mendel’s choice of Hieracium to study inheritance, a case of right plant, wrong trait. Theor Appl Genet. 129, 2253-2266;
2. Нерешаемые проблемы биологии: нельзя создать два одинаковых организма, нельзя победить рак, нельзя картировать организм на геном;
3. В полку генов убыло;
4. Mamta Jain, Tomer D Mann, Maja Stulić, Shailaja P Rao, Andrijana Kirsch, et. al.. (2018). RNA editing of Filamin A pre‐ mRNA regulates vascular contraction and diastolic blood pressure. EMBO J. 37;
5. I.D. Fratta, E.B. Sigg, K. Maiorana. (1965). Teratogenic effects of thalidomide in rabbits, rats, hamsters, and mice. Toxicology and Applied Pharmacology. 7, 268-286;
6. Пётр Талантов: «0,05. Доказательная медицина от магии до поисков бессмертия». Рецензия;
7. Jill B. Becker, Brian J. Prendergast, Jing W. Liang. (2016). Female rats are not more variable than male rats: a meta-analysis of neuroscience studies. Biol Sex Differ. 7.