Итак, онтогенез — это процесс самоорганизации, в ходе которого согласованные действия множества одинаково запрограммированных клеток, следующих сравнительно простому набору правил поведения, приводят к самосборке сложных многоклеточных структур. Назовем это «главным принципом онтогенеза».

Есть такой афоризм (кстати, совершенно неправильный), что компьютерная модель — это такая штука, в которую что заложишь, то и получишь. Нет, модель — это усилитель для мозгов. Модель помогает просчитать и понять то, что мы не можем просчитать невооруженным мозгом. Если мозг не может создать новых знаний, то и модель не может. А если может мозг, то может и модель.

Так вот, в программу EvoDevoизначально ничегоне заложено, кроме «главного принципа» — все записано в клетке, и эти записи для всех клеток одинаковые. Поэтому ее можно использовать для выяснения вопроса о том, что же следует из этого принципа. Какими свойствами должен обладать онтогенез многоклеточных, если известно, что он основан не на «чертеже» или «рецепте», а на алгоритме поведения клетки, одинаковом для всех?

Похоже на то, что многие странные, необычные свойства онтогенеза, над объяснением которых бьются эмбриологи, могут быть на самом деле неизбежными следствиями этого принципа. В таком случае для них не нужны специальные объяснения.

Первое такое свойство мы уже упоминали: это стохастичность— наличие неустранимого элемента случайности. Какого бы зверя мы ни попытались создать, фенотип всегда поначалу оказывается неустойчивым. Это значит, что при одном и том же генотипе из зиготы может сложиться такой зверь, какого мы хотели, а может и немного другой, а то и вовсе неожиданный.

По-видимому, онтогенезу реальных организмов тоже присуща такая стохастичность, которая, впрочем, обычно почти не проявляется из-за наличия специальных стабилизирующих адаптаций (помните, мы говорили о помехоустойчивости в главе 4). В программе EvoDevoстохастичность порождается прежде всего неодновременностьювыполнения клетками предписанных действий: программа обрабатывает клетки по одной в случайном порядке, причем действия, совершенные одной клеткой, могут изменить условия для других. У реальных эмбрионов поведение клеток может быть лучше синхронизировано (хотя идеальная синхронизация все равно недостижима), зато в реальной жизни всегда есть непредсказуемые колебания условий среды — дополнительный источник хаоса в развитии. В любом развивающемся организме обязательно есть флуктуации, случайные различия между клетками на уровне биохимии и экспрессии генов. Активность гена невозможно отрегулировать с абсолютной точностью. Поэтому две клетки с одинаковыми геномами обязательно будут различаться по числу молекул тех или иных белков. Это ведет к различиям в поведении клеток.

Если внимательно рассмотреть работу транскрипционных факторов (ТФ), то станет понятно, почему нельзя отрегулировать работу генов, а значит и поведение клетки, с абсолютной точностью. Напомним, что ТФ распознают короткие (длиной примерно 10–20 нуклеотидов) участки ДНК — операторы, или сайты связывания ТФ, — и прикрепляются к ним. Сайты связывания ТФ часто располагаются перед началом регулируемого гена или в интронах. Прикрепление ТФ к сайту связывания либо способствует, либо, наоборот, препятствует работе ДНК-зависимой РНК-полимеразы — фермента, осуществляющего транскрипцию. В соответствии с этим ТФ делятся на индукторы (активаторы) и репрессоры.

До недавних пор было не очень понятно, каким образом ТФ находит свой сайт. Большинство молекулярных процессов в клетке основано на взаимном узнавании молекул, подходящих друг к другу как ключ к замку (см. главу 2). Обычно для того, чтобы нужные молекулы нашли друг друга, достаточно хаотических процессов — диффузии и броуновского движения. Чтобы можно было всерьез рассчитывать на случайную встречу фермента (например, алкоголь-дегидрогеназы) и его лиганда (в данном случае этилового спирта), этих молекул в клетке должно быть достаточно много.

Но транскрипционные факторы — товар штучный. Часто клетка синтезирует лишь по несколько молекул того или иного ТФ. В еще большей степени это относится к их лигандам, т. е. сайтам связывания. Иногда во всем геноме есть только одно-единственное место, к которому данный ТФ может прикрепиться. Как ТФ находит его среди миллионов нуклеотидов?

В 2007 году биологи из Гарвардского университета сообщили о первом прямом наблюдении за деятельностью транскрипционного фактора в живой клетке ( Elf et al., 2007). Ученые использовали классический объект — кишечную палочку E. coliи ее вдоль и поперек изученный lac- оперон(опероном называют группу из нескольких соседних генов, регулируемых и транскрибируемых совместно и обычно участвующих в выполнении общей функции).

lac-оперон состоит из трех генов, необходимых для усвоения лактозы. Непосредственно перед опероном располагается ген транскрипционного фактора — репрессора lacI. Когда в клетке нет лактозы, lacI прикрепляется к своему сайту (оператору O1), тем самым блокируя транскрипцию lac-оперона. Когда в клетке появляется лактоза, ее производное (аллолактоза) присоединяется к белку lacI. В результате белок меняет свою трехмерную структуру и отсоединяется от оператора. Это позволяет РНК-полимеразе приступить к прочтению lac-оперона, и клетка начинает производить ферменты, требующиеся для утилизации лактозы.

Исследователи изготовили генно-модифицированную кишечную палочку, присоединив к гену lacIген желтого флуоресцирующего белка. Химерный белок, синтезируемый на основе измененного гена, сохранил свои регуляторные свойства, но стал светящимся, что позволило наблюдать за ним под микроскопом.

Оказалось, что, фотографируя бактерий с большой выдержкой (1 с), можно отличить свободно плавающий в цитоплазме белок от прикрепившегося к своему сайту на хромосоме. В первом случае белок быстро перемещается по клетке, свет от него поступает из разных точек и «размазывается». Во втором становится видна яркая точка, поскольку молекула ДНК, к которой прикрепляется ТФ, относительно неподвижна. В каждой клетке таких точек может быть одна или две в зависимости от того, в какой стадии жизненного цикла находится клетка. Оператор О1 в геноме всего один, но в ходе подготовки клетки к делению хромосома реплицируется (удваивается), и если lac-оперон уже реплицирован, то в клетке оказывается сразу два оператора О1, к каждому из которых может прикрепиться транскрипционный фактор.

При добавлении в среду лактозы яркие точки, как и следовало ожидать, быстро исчезали. При последующем разбавлении среды, ведущем к снижению концентрации лактозы, точки через некоторое время появлялись вновь.

Выяснилось, что одной молекуле lacI требуется не более 6 мин, чтобы найти на хромосоме свой оператор. Поскольку белок-репрессор присутствует в клетках не в одном, а в нескольких экземплярах, отключение lac-оперона происходит быстрее.

Чтобы понять, каким образом lacI ищет свой оператор, исследователи фотографировали клетки с разным временем выдержки. Результаты подтвердили гипотезу, согласно которой ТФ должен сначала связаться с ДНК неспецифически, т. е. в произвольном месте, а затем «ползать» вдоль ДНК, пока не наткнется на свой сайт (такое ползание называется одномерной диффузией). Анализируя снимки, ученые обнаружили, что молекулы lacI, не закрепленные на своих сайтах, могут находиться в одном из двух состояний, соответствующих одномерной и трехмерной диффузии. В первом случае они движутся примерно на порядок медленнее.

Выяснилось, что в процессе поиска своего сайта lacI проводит 87 % времени, будучи неспецифически связанным с ДНК и ползая вдоль нее (одномерная диффузия). Остальное время уходит на свободное перемещение по цитоплазме (трехмерная диффузия). Каждый сеанс ползания занимает не более 5 мс. За это время ТФ успевает «просмотреть» около 85 нуклеотидов. Размер генома кишечной палочки — около 5 млн нуклеотидов, поэтому в целом на поиск уходит несколько минут.

У высших организмов, таких как млекопитающие, геном которых в сотни раз больше, технология поиска транскрипционными факторами своих сайтов должна быть как-то оптимизирована, иначе на поиск уходили бы часы и даже сутки. И она действительно оптимизирована, например при помощи особых способов упаковки ДНК, оставляющих лишь небольшую часть генома доступной для «поисковых работ» ТФ.

Так или иначе, знакомство с клеточными технологиями регуляции генов не оставляет места для сомнений в том, что в поведении клеток присутствует неустранимый элемент случайности. ТФ ищет свой сайт связывания методом случайного поиска, поэтому время включения того или иного гена у двух идентичных клеток, находящихся в абсолютно одинаковых условиях, может заметно различаться. Следовательно, и онтогенез, контролируемый генетической программой поведения клетки, должен «по умолчанию» быть довольно стохастичным процессом.