Александр Нестеренко: молекулярная биология — кирпич и шпатель

Я изучаю при помощи методов молекулярной биологии Homeobox-содержащие гены, участвующие в развитии морских полихет Nereis virens и Platynereis dumerilii.

Начнем с начала. Что такое молекулярная биология? Наука или метод? Фундаментальная основа или технология? У подавляющего большинства небиологов, а откровенно говоря, и у некоторых биологов, словосочетание «молекулярная биология» ассоциируется либо с чем-то очень непонятным и связаным главным образом с теоретическими изысканиями в области химии живой материи, либо с технологиями разработки и создания сложных лекарств, продуктов питания, систем биологического производства и переработки, или даже с технологиями трансгенеза.

Ни то, ни другое не совсем верно. Вышеперечисленными вопросами занимается с одной стороны, биохимия, а с другой стороны, генная инженерия и смежные сугубо прикладные науки.

Молекулярная же биология — это наука, изучающая структуру биологических молекул главным образом с целью выяснить их функцию в живом организме и расшифровать все многообразие связей и взаимодействий, в которые вступает та или иная молекула (будь то белок или ДНК). По причине того, что, с одной стороны, ДНК определяет очень многое в живых организмах, а с другой стороны, изучать все белки на достаточно детальном систематическом уровне пока что не представляется возможным, молекулярная биология, это, по большей части, биология ДНК и связанных с ее функционированием белковых систем. Такова академическая суть молекулярной биологии, можно сказать, ее роль кирпича в здании фундаментальных наук.

Однако вы можете спросить человека, занимающегося развитием, биоразнообразием, геоботаникой, систематикой, чем он занимается, и в трети, а то и в половине, случаев, вы получите ответ: «молекулярной биологией». Трудно предположить, чтобы каждый второй биолог развития был заинтересован в выяснении функции какой-либо определенной молекулы и все же называл себя биологом развития. На самом деле все очень просто. Как и любая другая наука, молекулярная биология обладает набором методов. Однако в отличие от других молодых наук, в рамках молекулярной биологии, едва только она появилась, было создано несколько столь мощных методов, что сейчас практически ни одно большое исследование, кроме, разве что, экологических, не обходится без того или иного метода, созданного молекулярными биологами для своих целей. Таким образом, занятия молекулярной биологией среди исследователей более «натуралистических» направлений представляют собой эксплуатацию ее методов.

Теперь я попробую рассказать вам о некоторых их этих методов, а конкретнее, о тех, которые так или иначе используются в работе моей лаборатории. То, какой метод будет использован, зависит, во-первых, от объекта исследования, а во-вторых, от стоящих перед исследователем целей. Глобальной целью работы нашей группы является, в итоге, выяснение того, каким образом из единственной яйцеклетки (а любой организм, размножающийся половым путем, происходит из единственной половой клетки — яйцеклетки) получается целый сложнейший организм и, как следствие, каким образом из практически одинаковых яйцеклеток могут получаться настолько различающиеся организмы. Это глобальный вопрос биологии развития. Для решения вышеуказанных глобальных вопросов в высшей степепни плодотворными оказываются попытки расшифровки генетических регуляторных путей, которые участвуют в развитии. Известно, что все процессы в живых организмах контролируются генами и осуществляются через гены. Таким образом, развитие любого организма контролируют гены. Более того, на данный момент в общем известно, какие это гены. Непонятно одно: как конкретно это происходит. Именно поэтому наша группа занялась изучением конкретных генов — регуляторов развития высочайшего уровня (это такие регуляторы, которые контролируют «работу» целых массивов генов, в основном также регуляторов), причем на примитивных гомономно сегментированных (=> исходный тип экспрессии) животных. Такие гены из-за специфической структуры называются гомеобокс-сдержащие, или Hox-гены, а мутации (изменения в ген.материале) — гомеотическими. В качестве примера таких генов можно привести очень смешные Hox-гены Ultrabithorax и Antennapedia, идентифицированные у плодовой мушки Drosophila melanogaster, излюбленного объекта генетиков. У животных, у которых не работает перый из этих генов, на третьем грудном сегменте, где в норме располагаются так называемые жужжальца — в высшей степени измененные и почти рудиментарные остатки крыльев, развиваются нормальные крылья, и мы получаем чудовищную муху с четырмя совершенно одинаковыми крыльями вместо двух. Кроме того, все структуры, присущие третьему сегменту, заменяются на структуры, присущие предыдущему, второму. Таким образом, в норме этот ген подавляет в третьем сегменте целую программу развития второго и, напротив, запускает специфическую программу развития третьего. При мутации второго названного гена антенны на голове мухи превращаются в обычные ходильные ноги. Этим, во-первых, доказывается роль этого гена как регулятора высокого уровня, а во-вторых, подтверждается то, что антенны дрозофилы — это бывшие ноги. Кстати, выбивая сходные гены, можно определить происхождение многих частей тела у различных организмов, таких частей, как челюсти позвоночных и других. Но это уже другой разговор. Раз речь была о методах, то каким же образом можно выключить ген? Один способ — сугубо генетический — разрушить ген при помощи генной инженерии. Но это дорого, сложно, долго и неинтересно:). Начиная с 1998 года в биологии развития (и не только) широко используется позаимствованный у молекулярных биологов метод (который у молек. был не методом, а лишь исследуемым процессом), позволяющий сделать так, что мРНК нормально работающего гена разрушается, не успев стать матрицей для синтеза соотвествующего белка (от гена до белка — РНК). (Этот метод назывется RNAi). Таким образом, избежав в высшей степени сложных и ненадежных манипуляций с генетическим материалом, мы получаем животное, у которого не работает тот и только тот ген, который мы изучаем! Сейчас таким путем были получены вышеуказанные данные о генах Ubx и Antp на дрозофиле, и это именно тот метод, который, в пределах работы нашей группы, использую я. Однако так как работы в данном направлении начаты всего около полугода назад, а разработанных приемов, из-за молодости метода, нет (как и денег на покупку уже готовых реактивов для этого метода, приходится делать все самим, а это как минимум пара месяцев интенсивной работы). Поэтому я буду вынужден рассказать об еще одном методе, который наиболее интенсивно используется в нашей лаборатории. Этот метод позволяет визуализировать на целом фиксированном объекте область и интенсивность работы любого известного гена. Он называется whole mount in situ hybridization. Суть его заключяется в том, что исследователь обрабатывает целый фиксированный организм или срез раствором так называемого зонда — ДНК или РНК с последовательностью, комплементарной изучаемому гену (то есть такой, каждый нуклеотид которой подходит к соответствующему нуклеотиду изучаемой последовательности). При этом к зонду присоединена цветная метка. Таким образом, исследователь получает срез или организм, на котором в тех и только тех местах, где работает интересующий его ген, имеется цветной сигнал. При этом можно вводить несколько меток разных цветов. Используя этот метод, исследователь получает не только данные относительно локализации функций гена, но и о предположительной его функции (исходя из того, когда и в каких структурах он работает). Кроме вышеперечисленных методов, любой биолог, так или иначе связанный в своей работе с генетикой, использует еще серию других, сугубо подсобных, методов. Сейчас я не буду рассказывать о них, но хотел бы просто показать серию картинок, чтобы продемонстрировать, что молекулярная биология — это тоже очень красиво.

Под конец своего выступления я хотел бы вернуться к тому, с чего начал, то есть к теме моей научной работы. Теперь я могу сказать уже всё понимающим слушателям, что я, на самом деле, разрисовываю червяков в живенькие цвета и, разгядывая эти картинки, пытаюсь понять, как эти червяки стали такими?