Что такое модельные организмы и как они используются в биологии

Сегодня морские свинки используются уже далеко не так часто, вытесненные более удобными моделями – мышами и крысами. Подходящий на эту роль вид должен быть максимально неприхотлив и прост для выращивания и содержания в лаборатории. Желательно, чтобы организм рос и созревал быстро, сменяя поколение за поколением, а его применение не вызывало особых этических сложностей. Он должен быть хорошо изучен и легок в манипуляциях. И, конечно, существо, которое хотят сделать моделью, должно подходить для изучения той самой системы, которую мы ей заменяем.

Ученые нашли десятки организмов, служащих моделями для изучения разных биологических явлений и процессов. Грызуны голые землекопы помогают исследовать старение и механизмы защиты от опухолей, бактерии-экстремофилы Thermus thermophilis – устойчивость к тепловому шоку, аксолотли – регенерацию тканей. Но исторически нашлись организмы, подходящие на эту роль больше других. Этих существ можно найти если не в любой лаборатории, то наверняка в любом университете или институте на Земле: здесь они популярны, как топ-модели, лучшие в своем классе.

Первое задокументированное использование лабораторных мышей встречается в работах Роберта Гука, который в середине 18 в. исследовал на них влияние давления на циркуляцию крови. Сегодня это – самая популярная модель из всех позвоночных: только в США, по разным оценкам, в год используется от 10 до 25 миллионов мышей. Они исключительно удобны хотя бы потому, что уже дней через 10 с момента рождения становятся полностью половозрелы и способны дать новое потомство. В нормальных условиях мыши воспроизводятся каждые три недели, позволяя быстро менять поколение за поколением.

За счет близкородственного скрещивания можно получать «чистые» линии с почти идентичными геномами. При этом их физиология близка человеческой, позволяя изучать многие общие заболевания, а для других – получать мышиные модели с помощью генетики и селекции. Ученые умеют неплохо манипулировать их геномом, в том числе и с помощью технологий CRISPR. Их ДНК была полностью секвенирована еще в 2002 г. Особенно важны мыши для изучения рака, и для большинства опухолей имеются свои модельные линии.

Плодовые мушки – главные модели для генетиков, первые опыты на которых ставил еще один из основоположников этой науки Томас Морган, в начале 20 в. Именно на дрозофилах он показал, что гены, «элементы наследственности», находятся в хромосомах, – еще до того, как выяснилась роль ДНК в этих процессах. Эти насекомые замечательно просты и дешевы в содержании, а их жизненный цикл длится не более пары недель. Вывести чистую линию, несущую нужный признак, можно всего за полтора месяца, и при Корнелльском университете действует целый банк линий дрозофил (Drosophila Species Stock Center).

Простота скрещивания и разведения дрозофил, которая привлекла Моргана, сегодня вылилась в простоту точных манипуляций их геномом. Существуют системы – биохимические методы, – позволяющие управлять работой отдельных генов мухи и наблюдать за результатом (например, системы GAL4/UAS и LexA). С их помощью удается исследовать и человеческие болезни, поскольку большинство вовлеченных в эти процессы генов имеют у мух свои гомологи. Существуют модельные линии дрозофил даже для болезни Альцгеймера.

Те же дрожжи, которые сбраживают пиво или заставляют подниматься тесто, сплошь и рядом используются в биологических лабораториях. Здесь их несложно разводить, а от рождения клетки до деления проходит всего лишь около двух часов, обеспечивая быструю смену поколений. Эти микроскопические грибки считаются одними из самых простых эукариот, однако содержат почти все те же внутриклеточные компоненты, что и клетки животных и растений. Геном дрожжей был секвенирован одним из первых, и сегодня ученые могут довольно легко им манипулировать.

Около 23 процентов их генов – общие с людьми, и ученые умеют получать даже дрожжевые модели раковых заболеваний, хотя такие работы затем приходится повторять на более близких организмах. Более того, они применяются для изучения нейроденегаривных процессов, хотя никаких нейронов у них, разумеется, нет. Болезнь Паркинсона, связанная с накоплением в клетках неправильно свернутых белков, активно изучается на дрожжах, у которых производство подобных белков (например, альфа-синуклеина) стимулируют искусственно.

Нематоды C. elegans проникли в лаборатории сравнительно недавно, в начале 1960-х, когда Сидни Бреннер (Sydney Brenner) – будущий Нобелевский лауреат из ЮАР – стал использовать их для изучения развития нервной системы. Для этого они оказались исключительно удобны: быстрое развитие и короткий жизненный цикл дополняет гермафродитизм, позволяющий выделять чистые линии без больших проблем. Их нервная система состоит из 302 клеток, и сегодня она – единственная, для которой составлен полный коннектом, то есть детальная карта всех соединений.

Все тело нематоды включает ровно 1031 клетку, и судьба каждой из них детально прослежена с момента развития. Червь остается полупрозрачным всю свою жизнь, позволяя наблюдать многие внутренние процессы и отслеживать их с помощью флуоресцентных белков-маркеров. Благодаря такому набору блестящих характеристик C. elegans – исключительно удобные модели для исследований в самых разных областях. На них изучали даже развитие никотиновой зависимости, сон и влияние перегрузок на организм.

Самая популярная модель в ботанике, генетике и физиологии растений. Она относится к эфемерам, однолетним растениям с крайне коротким вегетационным периодом, которые в природе появляются лишь на несколько дней или недель в году, быстро вырастают, дают плоды и отмирают, пока семена дожидаются следующего подходящего времени. В лаборатории на все – от проращивания семени до получения новых семян – достаточно и шести недель.

Резуховидка появлялась в научных работах с конца 19 в., но ее массовое использование началось лишь с середины 1940-х, благодаря работам Фридриха Лайбаха (Friedrich Laibach) и Эрны Рейнгольц (Erna Reinholz), которые вызывали мутагенез у растений с помощью рентгена. В следующие десятилетия появились методы и инструменты для манипуляций с генетикой резуховидки – и в 1965 г., когда прошло первое собрание International Arabidopsis Conference заняла положение «топ-модели». Секвенирование ДНК резуховидки шло параллельно проект «Геном человека» и было закончено еще в 2000-м. А к 2010-му ученые даже надеялись установить функции всех без исключения генов растения (их насчитывается более 30 тыс.), – хотя окончательно эта задача не решена до сих пор.