Неканонические наследственные изменения
Неканонические наследственные изменения
Генетика как наука оформилась 100 лет назад, после
вторичного открытия законов Менделя. Ее бурное развитие ознаменовалось в
последние годы расшифровкой нуклеотидного состава ДНК генома многих десятков
видов. Возникли новые ветви знаний — геномика, молекулярная палеогенетика. В
начале 2001 г. в рамках дорогостоящей 10-летней международной программы
объявлено о принципиальной расшифровке генома человека. Эти достижения,
пожалуй, можно сравнить с выходом человека в космос и высадкой на Луну.
Генетическая инженерия и биотехнология сильно изменили облик
науки. Вот любопытный эпизод, уже попавший в новейшую сводку: “После 1998
года началась беспрецедентная гонка между 1100 учеными мирового сообщества
проекта “Геном человека” и частной акционерной фирмой “Celera Genomics”” [1]. Фирма
надеялась первой прийти к финишу и извлекать выгоду от патентования фрагментов
ДНК человека. Но пока победил принцип: “Что создано природой и Богом, не
может патентоваться человеком”.
Мог ли представить такую фантасмагорическую картину Грегор
Мендель, неспешно проводя год за годом свои опыты в тиши монастырского садика?
В какой степени она трансформирует естественное саморазвитие науки?
Действительно ли тотальный анализ ДНК геномов снимает все покровы? Упования,
что Буратино уже нашел заветный золотой ключик от потайной двери, столкнулись с
непредвиденной реальностью и парадоксами. У человека лишь 3% ДНК генома
кодируют белки, и, возможно, еще 20—25% участвуют в регуляции действия генов.
Какова же функция, и есть ли она у остальной части ДНК? Гены в геноме порой
сравнивают с небольшими островами в море неактивных и, возможно, “мусорных”
последовательностей. ДНК-гонка порой напоминает присказку: “принеси то, не знаю
что”.
Возражения скептиков отнюдь не сняты. Ведь при тотальном
секвенировании номинация (применю модный термин) определенного отрезка ДНК в
“ранг гена” проводится лишь на основе сугубо формальных критериев (знаков
генетической пунктуации, необходимых для транскрипции). Роль, время и место
действия большинства “генов-номинантов” пока совершенно неясны.
Но есть и другая проблема. Под геномом надо понимать всю
наследственную систему, включая не только структуру определенного набора ДНК
элементов, но и характер связей между ними, который определяет ход онтогенеза в
конкретных условиях среды. Налицо системная триада: элементы, связи между ними
и свойства целостности. Отсюда следует важный вывод: знание структуры генов на
уровне ДНК — необходимо, но вовсе недостаточно для описания генома. Мы лишь на
пороге постижения динамического способа организации и неканонических форм наследования
[2, 3].
Неожиданно в конце ХХ в. вопрос о том, каковы границы и
спектр наследственной изменчивости, вышел за рамки чисто академических
дискуссий. Сначала в Англии, а потом и в Германии пришлось забивать скот из-за
нейродегенеративной аномалии, способной передаваться людям с мясом больных
животных. Инфекционным агентом оказались не ДНК или РНК, а белки, названные
прионами (от англ. prions — protein infectious particles — белковые
инфекционные частицы).
Впервые с их необычным проявлением исследователи столкнулись
еще в 60-е годы. Но тогда этот феномен пытались истолковать в рамках классических
представлений, полагая, что это “медленные вирусные инфекции” животных или
особый тип супрессорных мутаций у дрожжей. Теперь выясняется, “феномен
прионов не является экзотикой, характерной для млекопитающих, а скорее —
частным случаем общебиологического механизма” динамического наследования [4].
Вероятно, центральную догму молекулярной генетики придется дополнить с учетом
возможности внутри- и межвидовой передачи по типу инфекций [5].
В начале 80-х годов классик молекулярной биологии и генетики
Р.Б.Хесин выделил три формы неканонической наследственной изменчивости:
неслучайные упорядоченные изменения в локусах и участках хромосом, состоящих из
повторов ДНК; изменение и наследование свойств цитоплазмы; эпигенетическое
наследование локальных и общих изменений упаковки хроматина. Затем добавились
мобильные гены, поведение которых привело к проблеме непостоянства геномов [6].
Цель этой статьи — показать, что разные формы
неменделевского наследования не исключение, а следствие более общих
представлений об организации генома. Наследственные изменения отнюдь не
сводятся только к мутациям [7].
Андре Львов и роль его открытия
По удивительному совпадению в один и тот же 1953 г.
появились две статьи, определившие лицо современной генетики: открытие двойной
спирали ДНК Дж.Уотсоном и Ф.Криком и концепция профага и лизогении бактерий
А.Львова (1902—1994), которая, на мой взгляд, имеет сейчас для биологии,
медицины и генетики не меньшее значение, чем двойная спираль ДНК.
Львов установил, что фаг может встраиваться в хромосому
бактерии и передаваться в ряду многих поколений как обычный бактериальный ген.
В таком состоянии у фага работает лишь ген-репрессор, который блокирует работу
всех остальных его локусов. Бактерия, включившая фаг в свой геном, называется
лизогенной, а встроенный фаг — профагом. Такая лизогенная бактерия защищена от
заражения другими фагами. Под действием ультрафиолета или изменений внутренней
среды клетки репрессор инактивируется, блокада снимается, и фаг размножается,
вызывая гибель клетки. Теперь даже трудно представить, сколь революционным было
это открытие.
Андре Львов — выходец из России, его родители эмигрировали
во Францию в конце XIX в. Образ матери ученого Марии Симинович навсегда
запечатлен на полотне художника В.Серова “Девушка, освещенная солнцем” (1888).
Мария Яковлевна Львова-Симинович дожила до 90 лет. За несколько недель до
второй мировой войны она передала в Третьяковскую галерею письма и рисунки
В.Серова [9].
Отец Львова был знаком с Мечниковым и водил сына к нему в Институт Пастера. Так
через века и страны тянутся и переплетаются нити культуры. За свою долгую жизнь
А.Львов работал последовательно как протозоолог, бактериолог, биохимик, генетик
и, наконец, как вирусолог. В Институте Пастера он патронировал и Ж.Моно, и
Ф.Жакобу, разделивших с мэтром Нобелевскую премию 1965 г. за открытие оперона.
Уже с 20-х годов были известны штаммы бактерий, которые
якобы несут фаги в скрытом состоянии и время от времени вызывают лизис клеток.
Однако открыватель бактериофагии Ф.Д'Эррель смотрел на фаг только как на
летальный для клетки агент, не допуская мысли о его скрытом состоянии. Это
мнение разделял сначала и классик молекулярной генетики М.Дельбрюк. Дело в том,
что он и его коллеги в США работали с так называемыми Т-фагами, которые
неспособны встраиваться в хромосому бактерий. В силу “демона авторитетов”
лизогенией с 20-х годов скрупулезно не занимались. Пионер этих работ, блестящий
микробиолог из Института Пастера, Эжен Вольман был схвачен немцами как еврей во
время оккупации Парижа и погиб.
После войны Львов возобновил в Пастеровском институте
исследования скрытого фагоносительства. В 1953 г. он создал стройную концепцию
профага, сразу же осознав ее значение для вирусной теории рака и ряда вирусных
патологий у человека. Его ясная схема феномена лизогении до сих пор приводится
во всех сводках по молекулярной генетике.
В 1958 г. Ф.Жакоб и Элиас Вольман (сын Эжена Вольмана) ввели
термин “эписома” для элементов, способных существовать либо в свободном, либо
интегрированном в геном хозяина состоянии. К эписомам они отнесли умеренные
фаги, половой фактор бактерий, факторы колициногенности, с помощью которых одни
штаммы бактерий убивают другие бактерии. В замечательной книге “Пол и генетика
бактерий”, написанной в 1961 г. (и уже на следующий год вышедшей стараниями
известного генетика С.И.Алиханяна в русском переводе), авторы предвидели
существование эписомоподобных элементов и у высших организмов, прозорливо
указывая на “контролирующие элементы”, открытые Б.Мак-Клинток в начале 50-х
годов (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1983 г.). Однако в то время
они не предполагали, сколь глубока эта аналогия. После открытия в начале 70-х
годов инсерционных мутаций, вызванных включением вирусной ДНК в клеточный геном
бактерий, появилась возможность выстроить эволюционный ряд двусторонних
переходов: инсерционные сегменты“транспозоны“плазмиды“фаги.
Сходные ряды перевоплощений найдены и у эвкариот. У
дрозофилы мобильные элементы семейства gypsy (“цыган”) могут существовать в
виде встроенных в хромосому копий; находиться в виде их полных или уменьшенных
кольцевых или линейных плазмид в цитоплазме; наконец, в случае отдельных
“разрешающих” мутаций в геноме хозяина способны одеться оболочкой, стать
настоящими инфекционными ретровирусами и заражать посторонних хозяев через
корм. Сходство Р-транспозонов у дрозофилы и эндогенного ретровируса ВИЧ у
человека (табл.) позволяет предсказывать возможные эволюционно-генетические
события в популяциях человека, судьбу неизбежных сейчас и в будущем его
контактов с чужими геномами.
Принцип факультативности и
обобщенная концепция генома
Многие факты изменчивости, связанной с мобильными
элементами, не укладываются в представления о мутациях как о локализованных
изменениях структуры, числа или расположения генных локусов. Дабы совместить
данные классической и “подвижной” генетики, я в 1985 г. предложил естественную
классификацию элементов генома, включающую две подсистемы: облигатные (гены и
их регуляторные области в хромосомах) и факультативные элементы (ДНК- и
РНК-носители, число и топография которых варьирует в разных клетках или
организмах одного вида) [8].
Из этой классификации вытекают важные следствия, позволяющие
осмыслить или сформулировать многие необычные факты из области наследственной
изменчивости. Назовем некоторые из них:
универсальность факультативности. Нет видовых геномов,
которые состоят лишь из облигатных элементов, как нет живых организмов,
состоящих лишь из скелетного остова;
генетическая неидентичность дочерних клеток. В силу
случайности они различаются по числу и составу цитоплазматических
факультативных элементов. Соотношение фракций облигатных и факультативных
элементов ДНК – относительно устойчивый видовой признак. Имея сходное число
генных локусов, близкие виды могут отличаться по количеству ДНК в 2—5 и более
раз, наращивая блоки повторов и меняя их геномную топографию. Между облигатной
и факультативной частями генома непрерывно наблюдаются разные переходы. Самые
очевидные примеры — мутации генов за счет внедрения (инсерций) мобильных
элементов или умножение числа (амплификация) сегментов хромосом и переход их в
разные внутри- и внехромосомные состояния;
характерный тип наследственной изменчивости для каждой из
двух подсистем генома. Моргановские мутации легко соотносятся с облигатным
компонентом. Разнообразные наследственные изменения в числе и топографии
факультативных элементов я предложил называть “вариациями” (как в музыке —
вариации на заданную тему). Мутации, согласно классическим представлениям,
происходят, как правило, случайно, с низкой частотой у отдельных особей.
Характер вариаций совсем иной — здесь возможны массовые, упорядоченные
изменения под действием самых разных, в том числе слабых немутагенных факторов
(температуры, пищевого режима и т.д.);
двухэтапный характер большинства природных наследственных
изменений. Сначала активизируются факультативные элементы как наиболее
чувствительные к изменениям среды. Затем начинают опосредованно поражаться и
генные локусы. К такому выводу мы пришли в ходе многолетних наблюдений за
вспышками мутаций в природе. Большинство их оказалось нестабильными и были
вызваны инсерциями мобильных элементов, которые таинственным образом время от
времени активируются в природе. У дрозофилы около 70% мутаций, возникших в
природе или лаборатории спонтанно, связано с перемещениями мобильных элементов.
Мак-Клинток впервые сделала заключение, что активация
факультативных элементов и последующая структурная реорганизация генома могут
быть следствием адаптивного ответа клетки на стресс [9].
Наследственная система, активируя факультативные элементы, осуществляет
генетический поиск, переходя к новому адаптивному уровню функционирования. Так,
многолетние исследования Л.З.Кайданова показали, что после длительного
инбридинга в линиях дрозофил вдруг за одно-два поколения происходят
множественные кооперативные перемещения подвижных генов и сайт-специфичные
перестройки хромосом; при этом одновременно резко повышается выживаемость.
Обобщенное представление о геноме как ансамбле облигатных и
факультативных элементов расширяет и понятие “горизонтальный перенос”, включающий
не только интеграцию чужеродных генов в хромосомы ядра. О горизонтальном
переносе можно говорить уже и в случаях создания устойчивой ассоциации двух
генетических систем, в которой появляются новые признаки и свойства.
Функциональная факультативность генома
Наследственные изменения возникают в результате ошибок
процессов, оперирующих с наследственным материалом любых живых организмов, —
репликации, транскрипции, трансляции, а также репарации и рекомбинации.
Факультативность репликации означает возможность
относительно автономной гипер- или гипорепликации отдельных участков ДНК,
независимо от плановой закономерной репликации всей геномной ДНК в ходе деления
клетки. Такими свойствами обладают участки хромосом с повторами, блоки
гетерохроматина. При этом автономная репликация приводит к умножению числа
отдельных сегментов и имеет, как правило, адаптивный характер.
Факультативность транскрипции состоит в возможности
появления разных мРНК с одной и той же матрицы за счет присутствия в данном
локусе более одного промотора и альтернативного сплайсинга. Эта ситуация
нормальна для множества генов.
Неоднозначность (по терминологии С.Г.Инге-Вечтомова)
трансляции проявляется в разных вариантах опознания одного и того же кодона,
например стоп-кодона или кодона для включения определенной аминокислоты в
синтезируемый белок. Такая трансляция зависит от физиологических условий в
клетке и от генотипа.
Согласно теории мутационного процесса М.Е.Лобашева,
возникновение мутации связано со способностью клетки и ее наследственных
структур к репарации повреждений. Отсюда следует, что появлению мутации
предшествует состояние, когда повреждение либо полностью обратимо, либо может
реализоваться в виде мутации, понимаемой как “нетождественная репарация”. К
началу 70-х годов выяснилось, что стабильность ДНК в клетке не имманентное
свойство самих молекул ДНК, — оно поддерживается особой ферментативной
системой.
С середины 70-х годов стала проясняться эволюционная роль
“ошибок рекомбинации” как индуктора наследственных изменений, причем гораздо
более мощного, чем ошибки репликации ДНК.
На молекулярном уровне различают три варианта рекомбинации:
общую, сайт-специфичную и репликативную. Для первой, общей, регулярной
рекомбинации (кроссинговер) репарация включают разрывы в цепи ДНК, их сшивку и
восстановление. Для нее необходимы длинные районы гомологии ДНК.
Сайт-специфичная рекомбинация довольствуется короткими, в несколько оснований,
участками гомологии, какие, к примеру, имеют ДНК фага l и хромосома бактерии.
Аналогично происходит включение в геном мобильных элементов и соматическая
локальная рекомбинация в онтогенезе между иммуноглобулиновыми генами, создающая
их поразительное разнообразие.
Ошибки общей рекомбинации можно рассматривать как
закономерные следствия линейно протяженной структуры генов. Возникает дилемма,
о которой писал Хесин: можно считать, что митотические рекомбинации — особый
тип мутагенеза или, напротив, некоторые виды мутаций (хромосомные аберрации) —
результат “ошибок” митотических рекомбинаций.
Если перемещения мобильных элементов или рекомбинация
участков запрограммированы в онтогенезе, классифицировать такие наследственные
изменения трудно. Трансформацию пола у дрожжей долгое время считали мутационным
событием, но оказалось, что на определенной стадии развития аскоспор она
происходит с высокой вероятностью в результате сайт-специфичной рекомбинации.
Вариации генома в ответ на вызов
среды
В теории эволюции и в генетике всегда обсуждался вопрос о
связи наследственных изменений с направлением отбора. Согласно дарвиновским и
постдарвиновским представлениям, наследственные изменения происходят в разных
направлениях и лишь затем подхватываются отбором. Особенно наглядным и
убедительным оказался метод реплик, изобретенный в начале 50-х годов супругами
Ледерберг. С помощью бархатной материи они получали точные копии — отпечатки —
опытного посева бактерий на чашке Петри. Затем на одной из чашек вели отбор на
устойчивость к фагу и сопоставляли топографию точек появления устойчивых
бактерий на чашке с фагом и в контроле. Расположение устойчивых к фагу колоний
было одинаковым в двух чашках-репликах. Такой же результат получили и при
анализе положительных мутаций у бактерий, дефектных по какому-либо метаболиту.
Открытия в области подвижной генетики показали, что клетка
как целостная система в ходе отбора может адаптивно перестраивать свой геном.
Она способна ответить на вызов среды активным генетическим поиском, а не
пассивно ждать случайного возникновения мутации, позволяющей выжить. А в опытах
супругов Ледерберг у клеток не было выбора: либо смерть, либо адаптивная
мутация.
В тех же случаях, когда фактор отбора не летален, возможны
постепенные перестройки генома, прямо или косвенно связанные с условиями
отбора. Это выяснилось с открытием в конце 70-х годов постепенного умножения
числа локусов, в которых расположены гены устойчивости к селективному агенту,
блокирующему деление клеток. Известно, что метотрексат — ингибитор клеточного
деления — широко применяется в медицине для остановки роста злокачественных
клеток. Этот клеточный яд инактивирует фермент дигидрофолатредуктазу (ДГФР),
работу которого контролирует определенный ген.
Рассмотрим, как в ходе подобного отбора менялся геном у
одноклеточного паразитического жгутиконосца лейшмании Leishmania tropica, вызывающего
кожные язвы и передающегося человеку москитами от грызунов. До начала опытов
ген устойчивости был в геноме лейшмании в одной дозе. В результате отбора число
генов устойчивости увеличилось (амплифицировалось). Что же наблюдали при разных
вариантах отбора?
Устойчивость клеток лейшмании к яду-цитостатику
(метотрексат) возрастала ступенчато, и пропорционально увеличивалась доля
амплифицированных сегментов с геном устойчивости. Умножался не только
селектируемый ген, но и большие прилежащие к нему участки ДНК, названные ампликонами.
Когда устойчивость к яду у лейшмании повысилась в 1000 раз, амплифицированные
внехромосомные сегменты составили до 10% ДНК в клетке! Можно сказать, что из
одного облигатного гена образовался пул факультативных элементов. Произошла
адаптивная перестройка генома в ходе отбора.
Если отбор продолжался достаточно долго, часть ампликонов
встраивалась в исходную хромосому, и после прекращения отбора устойчиво
сохранялась повышенная устойчивость.
С удалением из среды селективного агента число ампликонов с
геном устойчивости постепенно снижалось в ряду поколений и одновременно падала
устойчивость. Тем самым был смоделирован феномен длительных модификаций, когда
массовые изменения, вызванные средой, наследуются, но постепенно угасают в ряду
поколений.
При повторном отборе часть сохранившихся в цитоплазме
ампликонов обеспечивала быструю их автономную репликацию, и устойчивость
возникала гораздо быстрее, чем в начале опытов. Иными словами, формировалась
своеобразная клеточная ампликонная память о прошедшем отборе на основе
сохранившихся ампликонов.
Если сопоставить метод реплик и ход отбора на устойчивость в
случае амплификации, то оказывается, что именно контакт с селективным фактором
вызвал преобразование генома, характер которого коррелировал с интенсивностью и
направлением отбора.
Дискуссия об адаптивных мутациях
В 1988 г. в журнале “Nature” появилась статья Дж.Кэйрнса с
соавторами о возникновении у бактерии E.coli отборзависимых “направленных
мутаций”. Брали бактерии, несущие мутации в гене lacZ лактозного оперона,
неспособные расщеплять дисахарид лактозу. Но эти мутанты могли делиться на
среде с глюкозой, откуда их через один—два дня роста переносили на селективную
среду с лактозой. Отобрав lac+ реверсов, которые, как и ожидалось, возникли еще
в ходе “глюкозных” делений, нерастущие клетки оставляли в условиях углеводного
голодания. Сначала мутанты отмирали. Но спустя неделю и более наблюдался новый
рост за счет вспышки реверсий именно в гене lacZ. Как будто клетки в условиях
жесткого стресса, не делясь (!), вели генетический поиск и адаптивно меняли
свой геном [10].
В последующих работах Б.Холла использовались бактерии,
мутантные по гену утилизации триптофана (trp). Их помещали на среду, лишенную
триптофана, и оценивали частоту реверсий к норме, которая повышалась именно при
триптофановом голодании. Но причиной этого феномена были не сами условия
голодания, ибо на среде с голоданием по цистеину частота реверсий к trp+ не отличалась
от нормы.
В следующей серии опытов Холл взял уже двойных недостаточных
по триптофану мутантов, несущих одновременно мутации в генах trpA и trpВ, и
вновь поместил бактерии на среду, лишенную триптофана. Выжить могли только
особи, у которых реверсии возникали одновременно в двух триптофановых генах.
Частота появления таких особей была в 100 млн раз выше, чем ожидалось при
простом вероятностном совпадении мутаций в двух генах. Холл предпочел называть
этот феномен “адаптивные мутации” и впоследствии показал, что они возникают и у
дрожжей, т.е. у эвкариот [11].
Публикации Кэйрнса и Холла немедленно вызвали бурную
дискуссию. Итогом ее первого раунда стало выступление одного из ведущих
исследователей в области подвижной генетики Дж.Шапиро. Он кратко обсудил две
основные идеи. Во-первых, клетка содержит биохимические комплексы, или системы
“естественной генетической инженерии”, которые способны реконструировать геном.
Активность этих комплексов, как и любая клеточная функция, может резко меняться
в зависимости от физиологии клетки. Во-вторых, частота возникновения
наследственных изменений всегда оценивается не для одной клетки, а для
клеточной популяции, в которой клетки могут обмениваться между собой
наследственной информацией. Кроме того, межклеточный горизонтальный перенос с
помощью вирусов или передачи сегментов ДНК усиливается в стрессовых условиях.
Как считает Шапиро, эти два механизма объясняют феномен адаптивных мутаций и
возвращают его в русло обычной молекулярной генетики [11]. Каковы же, на его
взгляд, итоги дискуссии? “Мы нашли там генетического инженера с впечатляющим
набором замысловатых молекулярных инструментов для реорганизации ДНК-молекулы”
[12].
За последние десятилетия на уровне клетки открыта такая
непредвиденная сфера сложности и координации, которая более совместима с
компьютерной технологией, нежели с механизированным подходом, доминировавшим во
время создания неодарвинистского современного синтеза. Вслед за Шапиро, можно
назвать по крайней мере четыре группы открытий, изменивших понимание клеточных
биологических процессов.
Организация генома. У эвкариот генетические локусы устроены
по модульному принципу, представляя собой конструкции из регуляторных и
кодирующих модулей, общих для всего генома. Это обеспечивает быструю сборку
новых конструкций и регуляцию генных ансамблей. Локусы организованы в
иерархические сети, во главе с главным геном-переключателем (как в случае
регуляции пола или развития глаза). Причем многие из соподчиненных генов
интегрированы в разные сети: они функционируют в разные периоды развития и
влияют на множество признаков фенотипа.
Репаративные возможности клетки. Клетки вовсе не
пассивные жертвы случайных физико-химических воздействий, поскольку в них
имеется система репараций на уровне репликации, транскрипции и трансляции.
Мобильные генетические элементы и природная генетическая
инженерия. Работа иммунной системы построена на непрерывном конструировании
новых вариантов молекул иммуноглобулинов на основе действия природных
биотехнологических систем (ферменты: нуклеазы, лигазы, обратные транскриптазы,
полимеразы и т.д.). Эти же системы используют мобильные элементы для создания
новых наследуемых структур. При этом генетические изменения могут быть
массовыми и упорядоченными. Реорганизация генома — один из основных
биологических процессов. Природные генноинженерные системы регулируются
системами с обратной связью. До поры до времени они пребывают в неактивном
состоянии, но в ключевые периоды или во время стресса приводятся в действие.
Клеточный информационный процессинг. Возможно, одно
из самых важных открытий в области биологии клетки состоит в том, что клетка
непрерывно собирает и анализирует информацию о своем внутреннем состоянии и
внешней среде, принимая решение о росте, движении и дифференциации. Особенно
показательны механизмы контроля клеточного деления, лежащие в основе роста и
развития. Процесс митоза универсален у высших организмов и включает три
последовательных этапа: подготовка к делению, репликация хромосом и завершение
деления клетки. Анализ генного контроля этих фаз привел к открытию особых
точек, в которых клетка проверяет, произошла ли репарация нарушений в структуре
ДНК на предыдущем этапе или нет. Если ошибки не будут исправлены, последующий
этап не начнется. Когда же ликвидировать повреждения нельзя, запускается
генетически запрограммированная система клеточной смерти, или апоптоза.
В условиях вызова среды клетка действует целенаправленно,
подобно компьютеру, когда при его запуске шаг за шагом проверяется нормальная
работа основных программ, и в случае неисправности работа компьютера
останавливается. В целом становится очевидной, уже на уровне клетки, правота
нетрадиционного французского зоолога-эволюциониста Поля Грассэ: “Жить —
значит реагировать, а отнюдь не быть жертвой”.
Пути возникновения естественных наследственных изменений в
системе среда—факультативные элементы—облигатные элементы. Факультативные
элементы первыми воспринимают немутагенные факторы среды, а возникающие затем
вариации вызывают мутации. На поведение факультативных элементов влияют и
облигатные элементы.
Неканонические наследственные изменения, возникающие под
влиянием отбора к цитостатикам и приводящие к амплификации генов.
Приобретенные
признаки наследуются
“История биологии не знает более выразительного примера
многовекового обсуждения проблемы, чем дискуссия о наследовании или о
ненаследовании приобретенных признаков”, - эти слова стоят в начале книги
известного цитолога и историка биологии Л.Я.Бляхера [12]. В
истории, пожалуй, можно вспомнить аналогичную ситуацию с попытками превращения
химических элементов. Алхимики верили в эту возможность, но в химии утвердился
постулат о неизменности химических элементов. Однако ныне в ядерной физике и
химии исследования по превращению элементов и анализ их эволюции - дело
обычное. Кто же оказался прав в многовековом споре? Можно сказать, что на
уровне химических молекулярных взаимодействий не происходит превращения
элементов, а на ядерном уровне оно - правило.
Напрашивается сходная аналогия и с вопросом о наследовании
признаков, которые появились в ходе онтогенеза. Если вновь возникающие
наследственные изменения сводить лишь к мутациям генов и хромосом, тогда вопрос
можно считать закрытым. Но если исходить из обобщенной концепции генома,
включая представление о динамической наследственности [2, 3],
проблема нуждается в пересмотре. Помимо мутационной существует вариационная и
эпигенетическая формы наследственной изменчивости, связанные не с изменениями в
тексте ДНК, а в состоянии гена. Такие эффекты обратимы и наследуемы.
Интересно, что вышедший в конце 1991 г. Международный
ежегодник по генетике открывается статьей О.Ландмана “Наследование
приобретенных признаков” [13].
Автор суммирует уже давно полученные в генетике факты, показывая, что “наследование
приобретенных признаков вполне совместимо с современной концепцией молекулярной
генетики”. Ландман детально рассматривает около десяти экспериментальных
систем, в которых установлено наследование приобретенных признаков. Четыре
разных механизма способны привести к нему: изменение структур клеточной оболочки,
или кортекса, изученное Т. Соннеборном у инфузорий; ДНК-модификации, т.е.
клонально передаваемые изменения в характере локального метилирования ДНК (сюда
входит феномен импринтинга); эпигенетические изменения без каких-либо
модификаций ДНК; индуцированная утрата либо приобретение факультативных
элементов.
Статья Ландмана делает нас как бы свидетелями критического
периода смены постулата в генетике, казавшегося неколебимым как скала. Автор
спокойно, без ажиотажа и новых сногсшибательных фактов, объединяет старые и
новые данные в систему, дает им ясное современное истолкование. Можно
сформулировать общий принцип: наследование приобретенных признаков возможно в
тех случаях, когда некий фенотипический признак зависит от числа или топографии
факультативных элементов.
Приведу два поучительных примера на дрозофиле: первый связан
с поведением вируса сигма, второй - мобильных элементов, ответственных за
гибридную стерильность самок и сверхмутабильность.
Изучение взаимодействия вируса сигма с геномом дрозофилы началось
более 60 лет назад. Сначала в 1937 г. французский генетик Ф.Леритье обнаружил
резкие наследственные отличия у разных линий мух по степени чувствительности к
углекислому газу (СО2). Признак наследовался причудливым образом:
через цитоплазму, но не только по материнской линии, а иногда и через самцов.
Чувствительность можно было передать и путем инъекции гемолимфы, причем разным
видам дрозофил. В этих случаях признак передавался не стабильно, но в
результате отбора наследование становилось устойчивым.
Неменделевское наследование признака у дрозофилы, который
зависит от популяции факультативных элементов генома. Признак чувствительности
к СО2 вызван присутствием в цитоплазме мухи рабдовируса сигма. В
результате температурного шока на ранней стадии развития дрозофилы блокируется
размножение вируса, и выросшие особи приобретают устойчивость к нему.
Взаимоотношения генома дрозофилы и размножающегося в ее
цитоплазме вируса подчиняются правилам внутриклеточной генетики. Воздействия в
ходе онтогенеза могут вызвать сдвиг в числе и межклеточной топографии частиц и
как результат - изменить степень чувствительности к углекислому газу. Так,
повышенная температура блокирует репликацию вирусных частиц. Если самок и
самцов в период гаметогенеза содержать несколько дней при температуре 30°С,
потомство от таких мух будет свободно от вируса и устойчиво к СО2.
Значит, приобретенный в ходе индивидуального развития признак наследуется в
ряду поколений.
Ситуация с вирусом сигма не единична. Французские генетики
изучали факторы стерильности самок, связанные с поведением мобильных элементов
типа “I”. Наследование этого признака определяется сложными
ядерно-цитоплазматическими взаимодействиями. Если в отцовских хромосомах
локализованы активные I-элементы, то на фоне R-цитоплазмы они начинают
активироваться, претерпевают множественные транспозиции и в результате вызывают
резкие нарушения онтогенеза в потомстве самок с чувствительной цитоплазмой.
Такие самки откладывают яйца, но часть эмбрионов гибнет на ранней стадии
дробления - еще до образования бластомеры. Линии, выделенные из природных
популяций, отличаются по силе действия I-факторов и степени реактивности (или
чувствительности) цитоплазмы. Эти показатели можно изменить внешним влиянием.
Возраст исходных родительских самок, а также воздействие в ранний период
развития повышенной температуры отражаются не только на плодовитости выросших
самок, но и на плодовитости их потомства. Вызванные условиями среды изменения
реактивности цитоплазмы поддерживаются на протяжении многих клеточных
поколений. “Самое замечательное, что эти изменения реактивности цитоплазмы
под влиянием негенетических факторов наследуются: наблюдается наследование
“благоприобретенных” признаков”, - отмечал Р.Б.Хесин [5].
Наследование через цитоплазму: от
бабушек до внуков
В теории развития и феногенетике ХХ в. важное место занимают
глубокие и совершенно оригинальные исследования эмбриолога П.Г.Светлова
(1892-1972). Остановимся на разработанной им теории квантованности онтогенеза
(наличии критических периодов в развитии, когда происходит детерминация
морфогенетических процессов и одновременно повышается чувствительность клеток к
повреждающим агентам) и на развитой в связи с этим идее, что изучение
онтогенеза надо вести не с момента оплодотворения и образования зиготы, а еще с
гаметогенеза, включающего оогенез у самок предшествующего поколения -
проэмбрионального периода.
На основании этих постулатов Светлов провел в 60-е годы
простые и ясные опыты на дрозофиле и мышах. Он убедительно показал, что
возможно стойкое неменделевское наследование свойств цитоплазмы, а модификации
в выраженности мутантных признаков, возникшие после кратковременного внешнего
воздействия в критический период развития организма, тоже передаются в ряду
поколений [14].
В одной из серий опытов он сравнивал степень проявления
мутантного признака в потомстве двух линий мышей, гетерозиготных по рецессивной
мутации микрофтальмии (уменьшенный размер сетчатки и глаз с момента рождения):
нормальных по фенотипу гетерозигот, у которых мутантными были матери, и тех, у
которых мутантны отцы. Потомство от мутантной бабушки отличалось более сильным
проявлением признака. Светлов объяснял этот странный факт тем, что женские
гаметы гетерозиготных самок находились еще в теле их мутантных матерей и
испытывали с их стороны влияние, которое усилило мутации у внуков.
По существу Светлов установил явление, впоследствии
получившее название “геномный импринтинг” - различие в выраженности гена в
зависимости от того, пришел он к потомству от матери или от отца. Работы эти,
увы, остались недооцененными.
Интересно, что еще в конце 80-х годов импринтинг, как
остроумно заметил К.Сапиенца, исследователь этого феномена, было “принято
считать генетическим курьезом, затрагивающим лишь очень немногие признаки. Меня
неоднократно спрашивали, почему я попросту трачу свое время на столь
незначительное явление” [15].
Большинство исследователей безоговорочно принимали одно из главных положений
Менделя - “зачаток”, или ген, не может менять свои потенции в зависимости от
пола, на чем основано повсеместно наблюдаемое расщепление 3:1. Но Сапиенца
совершенно справедливо заметил, что при анализе менделевского расщепления
обычно рассматривают только наличие или отсутствие признака, а если он
количественный, то границу есть-нет устанавливают по принятому порогу.
Если же выявить, какова степень проявления признака, обнаружится влияние
геномного импринтинга.
Именно таков был подход Светлова, когда он тщательно изучал,
как меняется выраженность признаков у потомства в зависимости от материнского
генотипа. Как эмбриолог он видел общность наследственных и особых
ненаследственных изменений - фенокопий (имитирующих мутации), если
затрагивается один и тот же морфогенетический аппарат, ответственный за
осуществление данного признака.
Впервые на разных видах животных (дрозофилах и мышах)
Светлов показал возможность наследования через мейоз измененного характера проявления
мутантного гена. Недаром эти работы Хесин в своей сводке назвал замечательными
[16].
Кратковременное (20 мин) прогревание тела восьмидневного
мышонка самки вызывало стойкие изменения ооцитов, ослаблявшие действие вредной
мутации у внуков! “Передача улучшения развития глаз, наблюдаемая в опытах с
нагреванием, может быть объяснена только передачей свойств, приобретенных
ооцитами нагретых самок по наследству” [16].
Этот феномен Светлов связывал с особенностями формирования и строения
яйцеклетки у животных, ибо “в ооците имеется как бы каркас, отражающий
наиболее общие черты архитектоники строящегося организма”. Для профилактики
нарушений развития у человека он обосновал необходимость изучения критических
периодов гаметогенеза, в которых повышена чувствительность к повреждениям.
Возможно, в патогенезе аномалий развития у человека этап формирования гамет
даже более важен, чем эмбриогенез.
Схема опытов П.Г.Светлова, демонстрирующих передачу в
ряду поколений мышей мутации - микрофтальмии. Однократное 20-минутное действие
повышенной температуры на мутантных восьмидневных мышат влечет улучшение
развития глаз у их потомков (F1 и F2). Этот признак наследуется только по
материнской линии и связан с изменением в ооцитах.
Сегодня этот вывод подтвержден молекулярно-генетическими
исследованиями последнего десятилетия [17]. У
дрозофилы установлены три системы материнских генов, которые формируют осевую и
полярную гетерогенность цитоплазмы и градиенты распределения биологически
активных генных продуктов. Задолго до начала оплодотворения происходит
молекулярная детерминация (предопределение) плана строения и начальных этапов
развития. В формировании ооцита большую роль играют генопродукты клеток
материнского организма. В некотором смысле это можно сравнить с откармливанием
матки в улье группой рабочих пчел.
У человека первичные половые клетки, из которых потом возникают
яйцеклетки-гаметы, начинают обособляться у двухмесячного эмбриона. В возрасте
2.5 месяца они вступают в мейоз, но сразу после рождения это деление
блокируется. Оно возобновляется через 14-15 лет с началом полового созревания,
когда яйцеклетки раз в месяц выходят из фолликул. Но в конце второго деления
мейоз снова останавливается и его блокировка снимается только при встрече со
спермием. Таким образом, женский мейоз начинается в 2.5 месяца и заканчивается
лишь через 20-30 и более лет, сразу после оплодотворения.
Зигота на стадии двух-восьми клеток имеет ослабленный
геномный иммунитет. При изучении нестабильных инсерционных мутаций в природных
популяциях дрозофилы мы обнаружили, что активация мобильного элемента,
сопровождаемая мутационным переходом, происходит часто уже в первых делениях
зиготы или в первых делениях первичных половых клеток. В итоге одно мутантное
событие захватывает сразу клон первичных половых клеток, пул гамет становится
мозаичным, и наследственные изменения в потомстве возникают пучками или
кластерами, имитируя семейное наследование.
Эти эксперименты весьма важны для эпидемиологии, когда
возникает вопрос о степени влияния той или иной вирусной эпидемии на генофонд
потомства. Начатые еще в начале 60-х годов пионерные исследования С.М.Гершензона
и Ю.Н.Александрова привели к выводу, что ДНК- и РНК-содержащие вирусы и их
нуклеиновые кислоты - мощные мутагенные агенты. Попадая в клетку, они
провоцируют геномный стресс, активируют систему мобильных элементов хозяина и
вызывают нестабильные инсерционные мутации в группе избранных локусов,
специфичных для каждого агента.
Теперь представим, что мы хотим оценить влияние на
наследственную изменчивость у человека какой-либо вирусной пандемии (например,
гриппа). При этом можно ожидать, что частота разного рода аномалий развития
будет повышена в первом поколении у потомства, родившегося в год или спустя год
после эпидемии. Оценку же частоты мутационных и вариационных изменений в
половых клетках (гаметах) следует проводить во внучатом поколении.
Схема оогенеза в трех последовательных женских
поколениях. P - бабушка, F1 - мама, F2 - дочь.
Общий вывод состоит в том, что наследственная изменчивость у
внуков может весьма зависеть от условий, в которых происходил оогенез у их
бабушек! Представим женщину, которой в 2000 г. было около 25 лет, а матерью она
станет в третьем тысячелетии. Оплодотворенная яйцеклетка, из которой она сама
появилась на свет, начала формироваться в то время, когда ее мать была еще
двухмесячным эмбрионом, т.е. где-то в середине 50-х годов ХХ в. И если в эти
годы свирепствовал грипп, то его последствия должны сказаться через поколение.
Для оценки последствий глобальной эпидемии на генофонд человечества надо
сравнивать внучатое потомство трех групп, или когорт, - тех, у которых бабушки
были беременны в год, когда разразилась эпидемия, с теми, чьи бабушки
забеременели до и после пандемии (это две контрольные когорты). К сожалению,
такие важные для охраны здоровья эпидемиолого-генетические сведения пока
отсутствуют.
О призраках и борьбе с чудовищами
Прошло 30 лет после опытов Светлова, несложных по технике,
но оригинальных по замыслу и глубоких по своим выводам. В середине 90-х годов
произошел психологический перелом: резко возросло число работ в области
наследственной изменчивости, в названии которых стоит слово “эпигенетический”.
Разного рода эпимутации (наследственные вариации в характере
генной активности, не связанные с изменениями в тексте ДНК и носящие массовый,
направленный и обратимый характер) перешли из разряда маргинальных в активно
изучаемое явление. Стало очевидно, что живые системы обладают оперативной “памятью”,
которая находится в непрерывном контакте со средой и использует средства
природной эмбриогенетической инженерии для быстрого наследуемого перехода из
одного режима функционирования в другой. Живые системы не пассивные жертвы
естественного отбора, а все эволюционные формы жизни вовсе не “помарка за
короткий выморочный день”, как писал Мандельштам в своем известном шедевре
“Ламарк”.
Оказалось, что эпимутации сплошь и рядом можно обнаружить у
обычных “классических генов”, надо только подобрать пригодную экспериментальную
систему. Еще в 1906 г., за пять лет до того как Морган стал работать с
дрозофилой, французский биолог-эволюционист Л.Кэно открыл у мышей менделевскую
мутацию “желтое тело”. Она обладала удивительной особенностью - доминантностью
по отношению к нормальной окраске (серо-коричневой) и летальностью в
гомозиготе. При скрещивании гетерозиготных желтых по цвету мышей друг с другом
из-за гибели гомозигот нормальные мыши появлялись в потомстве в соотношении не
3:1, а 2:1. Впоследствии оказалось, что так ведут себя многие доминантные
мутации у разных организмов.
Выяснилось, что в области транскрипции одного из аллелей
гена “желтое тело” внедрен мобильный элемент, напоминающий по структуре и
свойствам ретровирус. В результате такой вставки ген стал подчиняться знакам
пунктуации своего незваного гостя и непредсказуемо активироваться “в
ненужное время и в ненужном месте”. У мутантов с инсерциями (вставками)
возникают множественные дефекты (желтая окраска меха, ожирение, диабет и др.),
а поведение становится нестабильным. Ненужная активность вставки в той или иной
степени гасится в разных тканях за счет обратимой модификации или метилирования
оснований ДНК. На уровне фенотипа проявление доминантного аллеля сильно
колеблется и носит мозаичный характер. Австралийские генетики обнаружили, что у
отобранных из гомогенной линии желтых самок в потомстве было больше желтых
мышей, а фенотип отца -носителя мутации - не влияет на изменение окраски у
потомства. Самки оказались более инерционны, и они, отобранные по фенотипу
модификации ДНК, или отпечатки-импринты лучше сохранялись в оогенезе. Другие
генетики нашли и чисто материнское влияние, аналогичное обнаруженному в опытах
Светлова. В зависимости от диеты беременных самок выраженность мутации “желтое
тело” определенным образом менялись в генотипе гетерозигот. Такое измененное
состояние нестойко, но наследовалось в потомстве. Степень проявления признака
коррелировала со степенью метилирования оснований ДНК во вставке.
Касаясь этих и других подобных опытов, научный обозреватель
журнала “Sсience” назвал свою заметку “Был ли все же Ламарк немного прав?”
Такая тактичность понятна. Во-первых, осторожность оправдана, когда приходится
ревизовать то, что десятилетиями считалось прочно установленным. Во-вторых,
наследование приобретенных признаков связывается не только с именем Ламарка, но
и с призраком Лысенко (о последнем упоминает автор заметки). Действительно,
вольно или невольно тень “мичуринской биологии” всплывает, когда обсуждается
проблема наследования приобретенных признаков. И не только в России, где еще
так жива память о трагедии в биологии, связанной с господством Лысенко.
Сегодня многие общепринятые положения классической генетики,
которые отвергал Лысенко, стали невольно, в пику ему, считаться почти
абсолютной истиной. И тем не менее, если тот или иной серьезный исследователь
обнаруживал что-либо внешне созвучное взглядам Лысенко, он опасался это
обнародовать, боясь остракизма со стороны научного сообщества. И даже если
работа публиковалась, она сопровождалась многими оговорками и оставалась на
периферии науки.
Познакомившись в 60-е годы со статьями А.А.Любищева (самого
близкого друга Светлова), я пытался понять, почему он, будучи одним из самых
активных самиздатных критиков лысенкоизма с 1953 по 1965 г. - его статьи и
письма были собраны в книге “В защиту науки” (Л., 1990), - тем не менее не
считал вопрос о наследовании приобретенных признаков окончательно решенным.
Этот всеми признанный знаток эволюционной биологии указывал на незавершенность
теории наследственности, на сходство наследственной и модификационной
изменчивостей. Теперь мы знаем, как трудно бывает во многих случаях провести
между ними границу. Любищев приводил факты массовых, быстрых и упорядоченных
преобразований фенотипа в эволюции, явно необъяснимых с позиций моргановских
мутаций и дарвиновского отбора. Возвысив свой голос против монополии Лысенко,
Любищев выступал в защиту науки как таковой, против утвердившегося в ней
аракчеевского режима. В сфере же самой науки он следовал древнему принципу: “Платон
мне друг, но истина дороже”. И поэтому не скрывал своих несогласий со
многими генетиками и дарвинистами. Да, Любищев оказался прав, древо жизни куда
сложнее самонадеянных рассуждений.
Литература
1. Баранов В.С. и др. Геном человека и
гены предрасположенности. СПб., 2000.
2. Голубовский М.Д., Чураев Р.Н.
Динамическая наследственность // Природа. 1997. №4. С.16—25.
3. Чураев Р.Н. Об одной неканоническкой
теории наследственности // Совр. концепции эволюц. генетики. Новосибирск, 2000.
С.22—32.
4. Инге-Вечтомов С.Г. Прионы дрожжей и
центральная догма молекулярной биологии // Вестн. РАН. 2000. 70(4). С.299—306.
5. Chernov Yu.O. // Mutation Res. 2001.
V.488. P.39—64.
6. Хесин Р.Б. Непостоянство геномов.
М., 1984.
7. Голубовский М.Д. Век генетики:
эволюция идей и понятий. СПб., 2001.
8. Голубовский М.Д. // Успехи соврем.
биологии. 1985. Т.100. Вып.6. С.323—339.
9. McClintock B. // Science. 1984.
V.226. P.792—801.
10. Cairns J. // Nature. 1988. V.27.
P.1—6.
11. Hall D. // Genetics. 1990. V.126.
P.5—16
12. Shapiro J. // Science. 1995.
V.268. P.373—374.
12. Бляхер Л. Я. Проблема
наследования приобретенных признаков. М., 1971.
13. Landman O. // Ann. Rev.Genet.
1991. V.25. P.1-20.
14. Соколова К.Б. Развитие феногенетики
в первой половине ХХ века. М., 1998.
15. Сапиенца К. // В мире науки. 1990.
?12. С.14-20.
16. Светлов П. Г. // Генетика. 1966.
?5. С.66-82.
17. Корочкин Л. И. Введение в генетику
развития. М., 1999.