Происхождение эволюции. Идея естественного отбора до и после Дарвина - Джон Гриббин

открытие на раннем этапе исследований Макклинток сделала в 1929 г. с помощью студентки Гарриет Крейтон (1909–2004). У одной линии кукурузы зерна были либо темные, либо светлые, что свидетельствовало о присутствии хромосомы с двумя разными аллелями (такую пару называют «гетерозиготной»). Нечто подобное предполагалось и раньше, в частности во время экспериментов Томаса Моргана с плодовыми мушками. Но тогда существование разных аллелей так и осталось лишь предположением. Макклинток и Крейтон пошли гораздо дальше: окрашивая хромосомы и изучая их под микроскопом, они обнаружили, что эти два типа кукурузы отличаются друг от друга за счет видимого различия между аллелями. У хромосомы растений с темными зернами имелся «бугорок», который отсутствовал в хромосоме растений со светлыми зернами. Это стало первым прямым эмпирическим доказательством того, что физические различия в хромосомах влияют на весь организм — на его фенотип. Когда Морган посетил Корнеллский университет и узнал об этой работе, которая легла в основу диссертации Крейтон, он настоятельно рекомендовал опубликовать ее как можно скорее, и в 1931 г. она вышла в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Всего через два года Морган получил Нобелевскую премию «за открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности»[59].

Помимо этого, в тот же ранний период Макклинток показала, как определенные участки хромосом отвечают за передающиеся по наследству сцепленные признаки и как видимая под микроскопом рекомбинация генетического материала выражается в новых признаках. После двух летних стажировок в Университете Миссури у генетика Льюиса Стадлера (1896–1954) в 1931 и 1932 гг. она использовала рентгеновское излучение, чтобы увеличить частоту мутаций у кукурузы, и изучила полученные результаты. В последующие годы она сменила несколько научных учреждений и некоторое время работала в Германии, а в конце 1941 г. ей предложили постоянную должность в отделе генетики лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Какими бы впечатляющими ни были ее предыдущие достижения, именно там она провела свои самые важные исследования.

Ключевое открытие было сделано благодаря простому наблюдению: листья у одной разновидности кукурузы иногда были не одноцветными, но имели вкрапления участков другого цвета. У большинства побегов кукурузы они зеленые, но у некоторых встречаются бледно-желтые, а иногда светло-зеленые и даже белые. Но на некоторых светло-зеленых листьях могли, например, присутствовать полосы более темного цвета, или на зеленых листьях — желтые пятна. Это заинтриговало Макклинток, потому что она знала, что каждый лист развивается из одной клетки на стебле растения. Лист формируется за счет многократного деления клеток, происходящих от этой одной. Поэтому появление участков нетипичной окраски можно было объяснить ошибкой в копировании — или мутацией — в хромосоме одной клетки, в результате чего в ее дочерних клетках появлялся немного измененный набор генетических инструкций, который передавался последующим поколениям, что приводило к образованию полос или пятен «неправильного» цвета. Макклинток могла точно определить, в какой конкретной клетке произошла мутация и на каком именно этапе процесса развития и дифференциации организма это случилось.

И это было еще не все. На некоторых разноцветных листьях мутации происходили иначе, чем на других, — быстрее или медленнее в зависимости от конкретного листа. Это тоже объяснялось изменениями в хромосомах одной клетки на ранней стадии процесса дифференциации листьев. Похожие эффекты наблюдались также в початках кукурузы и влияли на частоту появления зерен разного цвета и их расположение.

К началу 1947 г., после многолетних экспериментов, похожих на те, которые проводил Мендель, но усовершенствованных за счет изучения хромосом под микроскопом, Макклинток смогла объяснить, каким образом это происходит. Гены, отвечающие за строение и функционирование организма, не всегда находятся во «включенном» состоянии (например, листья не растут бесконечно): информация переводится в РНК, а затем в белок только тогда, когда это требуется. Это означает, что ими должны управлять другие гены, ответственные за их включение и выключение. Макклинток ничего не знала о роли ДНК и РНК, но само существование контролирующих генов становилось в 1940-х гг. все более очевидным. Она пришла к выводу, что, судя по всему, есть два типа таких генов. Ген первого типа расположен рядом со структурным геном на той же хромосоме, включая или выключая его (или превращая клетку из зеленой в желтую, скажем). Но исследования Макклинток показали, что должен быть еще один тип генов (или «контролирующих элементов», если пользоваться ее терминологией), который регулирует активность гена первого типа, ускоряя или замедляя частоту изменений в контролируемой им системе. Исследования показали, что, хотя контролирующий элемент первого типа всегда расположен на хромосоме рядом с тем геном, которым он управляет, контролирующий ген второго типа (регулятор) может находиться практически где угодно — далеко на той же самой хромосоме или даже на другой хромосоме. В ходе дальнейших исследований к концу 1940-х гг. Макклинток обнаружила, что эти регуляторы не обязательно располагались всегда на одной и той же хромосоме. Они могли прыгать с места на место по хромосоме или даже перепрыгивать на другую хромосому внутри клетки, оказывая влияние на разные структурные и функциональные гены. Сегодня нам известно, что эти регуляторы не в буквальном смысле прыгают с места на место, но копируются клеточным механизмом, а эти копии вставляются в разные места на той же или другой хромосоме. Но термин «прыгающие гены» прижился и стал использоваться для описания этого процесса. Самый важный вывод заключается в том, что даже внутри одной клетки геном может не быть фиксированным и неизменным. Макклинток также выяснила, что клетки с одинаковым геномом могут выполнять в организме разные функции. Стоит еще раз процитировать ее нобелевскую лекцию 1983 г.:

Вскоре стало очевидно, что наблюдалась модификация характера экспрессии генов и что она были сосредоточена на четко определенном участке листа. Таким образом, модифицированная экспрессия, похоже, была связана с событием, которое произошло в предковой клетке, из которой развился этот участок. Именно за счет этого события происходило изменение характера и/или типа экспрессии генов в дочерних клетках, часто через много клеточных поколений после самого события. Также выяснилось, что это событие было связано с неким компонентом клетки, который неравномерно распределялся при митозе. Появлялись рядом расположенные пары участков листа, где характеристики экспрессии генов были противоположными друг другу.

Например, на одном участке могло быть меньше равномерно распределенных тонких зеленых полос на белом фоне по сравнению с изначальным количеством и распределением таких полос на том же листе. С другой стороны, на парном участке таких полос было намного больше. Поскольку эти парные участки располагались рядом друг с другом, предполагалось, что