Чтобы изучать генетический контроль индивидуального развития живых организмов, исследователям очень нужно уметь вводить гены в животные клетки генеративного ряда и регистрировать их экспрессию, т. е. образование белков — продуктов этих генов в организме взрослого животного. Идеально при этом было бы встраивать нужный ген в геном (геном — это весь набор генов животного), чтобы этот ген передавался последующим поколениям и экспрессировался у потомков. Метод рекомбинантных ДНК позволяет выделять отдельные гены, а также определенным образом их изменять и клонировать в бактериях, то есть получать в больших количествах. Задача состояла в том, чтобы ввести ген в клетку генеративного ряда и добиться его встраивания в геном. При этом важно было не допустить каких-либо неконтролируемых изменений гена, чтобы он правильно функционировал, устойчиво наследовался и экспрессировался в ряду поколений.
Эта задача, наконец, решена. Сотрудники отделения эмбриологии Института Карнеги в Вашингтоне опубликовали в журнале «Сайенс» описание нового эффективного метода переноса генов. Этот метод позволяет вводить клонированный ген в организм эмбриона плодовой мушки Drosophila melanogaster. Если ген под названием rosy ввести эмбрионам мутантной линии мух с коричневыми глазами, плодовитые мухи, развившиеся из этих эмбрионов, дают начало новой линии мух, у которых глаза ярко красного цвета (как у нормальных, не мутантных дрозофил), причем это изменение устойчиво наследуется.
Ввести чужеродную ДНК в клетки животных пытались неоднократно. Исследователи либо вызывали «трансфекцию» клеток, выращенных вне организма в культуральной среде, добавляя к ним очищенную чужеродную ДНК, либо делали микроинъекции ДНК в ядро клетки или в оплодотворенное яйцо, либо использовали способность некоторых вирусов животных трансдуцировать сегмент ДНК в клетку. Дж. Рубин и А. Спрэдлинг из Института Карнеги прибегли к другому естественному средству переноса ДНК — транспозиционному генетическому элементу, или, коротко, транспозону. Транспозон — это участок ДНК, который перемещается по геному — бактериальному или по геному высшего организма — и способен встраиваться в ДНК во многих разных сайтах, зачастую вместе с включившимися в его состав посторонними последовательностями ДНК. Рубин и Спрэдлинг исследовали семейство транспозонов Drosophila, известных под названием Р-элементов.
Рубин и его коллеги обнаружили необычный Р-элемент, гораздо более длинный, чем большинство Р-элементов (по-видимому, его необычная длина требуется для транспозиции). В этот Р-элемент целиком помещается ген транспозазы — фермента, который катализирует транспозицию длинного Р-элемента и более коротких «дефектных» Р-элементов. Длинный Р-элемент кодирует также белок — репрессор транспозазы. Когда длинный Р-элемент вводят в зародышевые клетки, не содержащие такого элемента, в них наблюдается необычайно высокая частота транспозиций; если же в клетках длинный Р-элемент уже имелся, в них накапливается белок-репрессор и транспозиции не происходит.
В первой серии опытов Спрэдлинг и Рубин встроили длинный Р-элемент в плазмиду (плазмиды — это небольшие кольцевые молекулы ДНК; они есть у бактерий) и ввели эту плазмиду в эмбрион Drosophila. Им удалось показать, что Р-элемент способен катализировать транспозицию самого себя в геном клеток генеративного ряда эмбриона. Плазмиды часто используют, чтобы вводить чужеродную ДНК в бактериальные клетки. Тот факт, что длинный Р-элемент способен к «самотранспозиции», позволял надеяться, что вместе с ним в качестве «пассажира» в клетки генеративного ряда Drosophila можно ввести и выбранный для изучения ген. Нежелательный эффект транспозазы можно исключить, если исследуемый ген встроить в дефектный Р-элемент и снабдить эту систему таким количеством транспозазы, которого достаточно лишь для нужной транспозиции. Рубин и Спрэдлинг попытались транспозировать ген rosy, который кодирует фермент, ответственный за красный цвет глаз нормальных мух. Они встроили ген rosy в короткий Р-элемент, а его в свою очередь в плазмиду и клонировали в бактериальных клетках.
Затем они сделали микроинъекцию плазмиды в эмбрион мутантной линии мух (у этих мух глаза коричневого цвета). Чтобы обеспечить систему транспозазой, Рубин и Спрэдлинг применяли два остроумных способа. Один из них состоял в том, что клонированный транспозон с геном rosy в составе плазмиды инъецировали в мутантные эмбрионы, полученные от скрещивания самцов, имеющих длинный Р-элемент, и самок, лишенных его. В геноме таких гибридов транспозиции происходят с высокой частотой: транспозицию катализирует отцовская транспозаза, которая на некоторое время дерепрессируется в клетках генеративного ряда гибрида, поскольку в них недостаточно репрессора. Другой способ — совместная инъекция в эмбрионы, лишенные Р-элементов, большого количества плазмиды с коротким транспозоном и геном rosy и гораздо меньшего количества длинного Р-элемента с геном транспозазы.
