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!

Уксусная мушка — Наркоз для дрозофилы — Мушиная комната — I am a human fly — Ёж Соник

Начало XX века. Только что Гуго де Фриз заново открыл законы Менделя. Помните, его книжка о горошке больше двадцати лет пылилась в библиотеках с неразрезанными страницами? С одним признаком и двумя аллелями всё просто. Но если мы рассматриваем больше двух признаков — например, гладкость семян и цвет венчика растения? Равномерно ли они перемешиваются в потомстве? Уже очень скоро выяснилось, что не все: некоторые аллели путешествуют парами, как будто прицепившись друг к другу. Вопрос потребовал изучения — какова сила сцепления между генами? Как вообще устроено наследование? Нужен модельный организм. Он должен иметь много четких, но изменчивых макроскопических признаков, быстро размножаться половым путем, иметь мало времени между поколениями и быть простым и дешевым в содержании.

На рубеже XIX и XX веков американский энтомолог Чарльз Вудворт предложил использовать в качестве такой модели уксусную, или плодовую мушку Drosophila melanogaster (рис. 1). Идею Вудворта наилучшим образом развил нобелевский лауреат Томас Морган, в лаборатории которого дрозофил начали широко использовать в генетических экспериментах. Именно таких мушек, или представителей других близкородственных видов дрозофил, мы наблюдаем летом вьющимися над черешней или кабачками. Дрозофила живет не больше ста дней. Она быстро размножается. Колонии насекомых легко содержать в замкнутых емкостях, кормя взрослых мушек и личинок нехитрой кашей из дрожжей и крупы. Дрозофилы чрезвычайно живучи — они могут размножаться в интервале температур в двадцать градусов, в том числе, в полной темноте. А как же внешние признаки, скажете вы, как их рассмотреть на трехмиллиметровой мухе? Однако даже в лупу видно, какие яркие у дрозофилы глаза, как хорошо заметны на теле насекомого крупные щетинки и другие признаки. Немаловажно, что взрослые мухи разных полов легко различаются при небольшом увеличении. Другой замечательный признак дрозофилы — этих мух можно легко и обратимо усыпить, повысив в среде обитания концентрацию углекислого газа. Еще недавно не было студента-биолога, который на кафедре генетики не разделял бы перышком уснувших дрозофил на кучки по принципу менделевского расщепления!

Создав в Колумбийском университете, в лаборатории, которую прозвали Мушиной комнатой (The Fly Room) , управляемые колонии дрозофил, Морган с коллегами, по сути, начали строить первую в истории карту генома (рис. 2). Не имея представления, как устроена наследственность с химической точки зрения, они догадались, что сцепление пропорционально расстоянию между генами! Таким образом, можно сказать, была заложена основа геномики. И сейчас дрозофила — важная для фундаментальной науки модель. Большие коллекции линий мушки поддерживаются в разных институтах десятилетиями. В длительных проектах на этом объекте изучают происходящие буквально на глазах исследователей мутагенез и эволюцию. В эпоху секвенирования нуклеиновых кислот геном дрозофилы, содержащий всего четыре пары хромосом, в 2000 году стал одним из первых расшифрованных геномов многоклеточных организмов.

По мотивам биографии одного из выдающихся коллег Моргана — Кэлвина Бриджеса — в 2014 году сняли игровой фильм «Комната с мухами».

Тема человекообразной мухи эксплуатируется в массовом искусстве после выхода в 1958 году легендарного научно-фантастического фильма ужасов The Fly (рис. 3), сценарий к которому, кстати, написал впоследствии знаменитый автор романа «Сёгун» Джеймс Клавелл. Вспоминаются также успешный ремейк первого фильма, который снял в 1986 году Дэвид Кроненберг, а также вышедший в 1978 году сингл Human Fly рок-группы The Cramps. Наивная и зловещая фантастика о полученных в результате безответственных экспериментов гибридах человека и насекомого называется научной лишь условно. Однако давайте зададимся вопросом, что объединяет дрозофилу и человека с точки зрения молекулярного биолога?

По современным представлениям, около трех четвертей всех генов человека, связанных с заболеваниями, имеет соответствующие по последовательности гены (гомологи) в геноме дрозофилы. Например, открытый у дрозофилы в 1980 году немцами Кристианой Нюслейн-Вольхард и Эриком Вишаусом белок Sonic Hedgehog («ёж Сонник»), названный в честь героя анимационного сериала, у человека управляет молекулярным каскадом, нарушение работы которого вызывает некоторые типы злокачественных опухолей (рис. 4). У многоклеточных организмов этот белок в качестве морфогена формирует организм в процессе эмбриогенеза. Дрозофилы же, мутантные по гену Hedgehog, обладали характерной внешностью — их тело было покрыто шипиками, напоминая ежа. Похожая ситуация произошла с белками семейства важнейших онкосупрессоров — SMAD, название которых происходит от сокращения словосочетания mothers against decapentaplegy, то есть имеет прямое отношение к пятнадцати имагинальным дискам, играющим роль в метаморфозе дрозофил из личинки во взрослое насекомое — имаго.

Из сходства многих функциональных белков и биохимических каскадов понятно, что, несмотря на существенные различия в строении и развитии тела, дрозофилы могут быть ценным модельным объектом для изучения заболеваний человека. Например, они широко используются в нейронауках для воссоздания некоторых звеньев человеческих нейродегенеративных заболеваний. Интересно, что у дрозофил обнаружено достаточно сложное брачное и пищевое поведение, которое также удобно исследовать при помощи генетических манипуляций.

Итак, несмотря на анекдотичность образа человека-мухи в фильмах и книгах, мы видим, что наука охотно использует их сходство для получения новых знаний, полезных для человеческой медицины (рис. 5).