Генетика как наука оформилась 100 лет назад, послевторичного открытия законов Менделя. Ее бурное развитие ознаменовалось впоследние годы расшифровкой нуклеотидного состава ДНК генома многих десятковвидов. Возникли новые ветви знаний — геномика, молекулярная палеогенетика. Вначале 2001 г. в рамках дорогостоящей 10-летней международной программыобъявлено 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 обликнауки. Вот любопытный эпизод, уже попавший в новейшую сводку:“После 1998года началась беспрецедентная гонка между 1100 учеными мирового сообществапроекта “Геном человека” и частной акционерной фирмой “Celera Genomics”” [1].Фирма надеялась первой прийти к финишу и извлекать выгоду от патентованияфрагментов ДНК человека. Но пока победил принцип: “Что создано природой иБогом, не может патентоваться человеком”.
Мог ли представить такую фантасмагорическую картину ГрегорМендель, 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 снепредвиденной реальностью и парадоксами. У человека лишь 3% ДНК геномакодируют 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 поройсравнивают с небольшими островами в море неактивных и, возможно, “мусорных”последовательностей. ДНК-гонка порой напоминает присказку: “принеси то, не знаючто”.
Возражения скептиков отнюдь не сняты. Ведь при тотальномсеквенировании номинация (применю модный термин) определенного отрезка ДНК в“ранг гена” проводится лишь на основе сугубо формальных критериев (знаковгенетической пунктуации, необходимых для транскрипции). Роль, время и местодействия большинства “генов-номинантов” пока совершенно неясны.
Но есть и другая проблема. Под геномом надо понимать всюнаследственную систему, включая не только структуру определенного набора ДНКэлементов, но и характер связей между ними, который определяет ход онтогенеза вконкретных условиях среды. Налицо системная триада: элементы, связи между нимии свойства целостности. Отсюда следует важный вывод: знание структуры генов науровне ДНК — необходимо, но вовсе недостаточно для описания генома. Мы лишь напороге постижения динамического способа организации и неканонических форм наследования[2, 3].
Неожиданно в конце ХХ в. вопрос о том, каковы границы испектр наследственной изменчивости, вышел за рамки чисто академическихдискуссий. Сначала в Англии, а потом и в Германии пришлось забивать скот из-занейродегенеративной аномалии, способной передаваться людям с мясом больныхживотных. Инфекционным агентом оказались не ДНК или РНК, а белки, названныеприонами (от англ. prions — protein infectious particles — белковыеинфекционные частицы).
Впервые с их необычным проявлением исследователи столкнулисьеще в 60-е годы. Но тогда этот феномен пытались истолковать в рамках классическихпредставлений, полагая, что это “медленные вирусные инфекции” животных илиособый тип супрессорных мутаций у дрожжей. Теперь выясняется, “феноменприонов не является экзотикой, характерной для млекопитающих, а скорее —частным случаем общебиологического механизма” динамического наследования [4].Вероятно, центральную догму молекулярной генетики придется дополнить с учетомвозможности внутри- и межвидовой передачи по типу инфекций [5].
В начале 80-х годов классик молекулярной биологии и генетикиР.Б.Хесин выделил три формы неканонической наследственной изменчивости:неслучайные упорядоченные изменения в локусах и участках хромосом, состоящих изповторов ДНК; изменение и наследование свойств цитоплазмы; эпигенетическоенаследование локальных и общих изменений упаковки хроматина. Затем добавилисьмобильные гены, поведение которых привело к проблеме непостоянства геномов [6].
Цель этой статьи — показать, что разные формынеменделевского наследования не исключение, а следствие более общихпредставлений об организации генома. Наследственные изменения отнюдь несводятся 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 двойнойспирали ДНК Дж.Уотсоном и Ф.Криком и концепция профага и лизогении бактерийА.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 хромосомубактерии и передаваться в ряду многих поколений как обычный бактериальный ген.В таком состоянии у фага работает лишь ген-репрессор, который блокирует работувсех остальных его локусов. Бактерия, включившая фаг в свой геном, называетсялизогенной, а встроенный фаг — профагом. Такая лизогенная бактерия защищена отзаражения другими фагами. Под действием ультрафиолета или изменений внутреннейсреды клетки репрессор инактивируется, блокада снимается, и фаг размножается,вызывая гибель клетки. Теперь даже трудно представить, сколь революционным былоэто открытие.
Андре Львов — выходец из России, его родители эмигрироваливо Францию в конце XIX в. Образ матери ученого Марии Симинович навсегдазапечатлен на полотне художника В.Серова “Девушка, освещенная солнцем” (1888).Мария Яковлевна Львова-Симинович дожила до 90 лет. За несколько недель довторой мировой войны она передала в Третьяковскую галерею письма и рисункиВ.Серова [9]. Отец Львова был знаком с Мечниковым и водил сына к нему вИнститут Пастера. Так через века и страны тянутся и переплетаются нитикультуры. За свою долгую жизнь А.Львов работал последовательно как протозоолог,бактериолог, биохимик, генетик и, наконец, как вирусолог. В Институте Пастераон патронировал и Ж.Моно, и Ф.Жакобу, разделивших с мэтром Нобелевскую премию1965 г. за открытие оперона.
Уже с 20-х годов были известны штаммы бактерий, которыеякобы несут фаги в скрытом состоянии и время от времени вызывают лизис клеток.Однако открыватель бактериофагии Ф.Д'Эррель смотрел на фаг только как налетальный для клетки агент, не допуская мысли о его скрытом состоянии. Этомнение разделял сначала и классик молекулярной генетики М.Дельбрюк. Дело в том,что он и его коллеги в США работали с так называемыми Т-фагами, которыенеспособны встраиваться в хромосому бактерий. В силу “демона авторитетов”лизогенией с 20-х годов скрупулезно не занимались. Пионер этих работ, блестящиймикробиолог из Института Пастера, Эжен Вольман был схвачен немцами как еврей вовремя оккупации Парижа и погиб.
После войны Львов возобновил в Пастеровском институтеисследования скрытого фагоносительства. В 1953 г. он создал стройную концепциюпрофага, сразу же осознав ее значение для вирусной теории рака и ряда вирусныхпатологий у человека. Его ясная схема феномена лизогении до сих пор приводитсяво всех сводках по молекулярной генетике.
В 1958 г. Ф.Жакоб и Элиас Вольман (сын Эжена Вольмана) ввелитермин “эписома” для элементов, способных существовать либо в свободном, либоинтегрированном в геном хозяина состоянии. К эписомам они отнесли умеренныефаги, половой фактор бактерий, факторы колициногенности, с помощью которых одништаммы бактерий убивают другие бактерии. В замечательной книге “Пол и генетикабактерий”, написанной в 1961 г. (и уже на следующий год вышедшей стараниямиизвестного генетика С.И.Алиханяна в русском переводе), авторы предвиделисуществование эписомоподобных элементов и у высших организмов, прозорливоуказывая на “контролирующие элементы”, открытые Б.Мак-Клинток в начале 50-хгодов (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1983 г.). Однако в то времяони не предполагали, сколь глубока эта аналогия. После открытия в начале 70-хгодов инсерционных мутаций, вызванных включением вирусной ДНК в клеточный геномбактерий, появилась возможность выстроить эволюционный ряд двустороннихпереходов: инсерционные сегменты“транспозоны“плазмиды“фаги.
Сходные ряды перевоплощений найдены и у эвкариот. Удрозофилы мобильные элементы семейства gypsy (“цыган”) могут существовать ввиде встроенных в хромосому копий; находиться в виде их полных или уменьшенныхкольцевых или линейных плазмид в цитоплазме; наконец, в случае отдельных“разрешающих” мутаций в геноме хозяина способны одеться оболочкой, статьнастоящими инфекционными ретровирусами и заражать посторонних хозяев черезкорм. Сходство Р-транспозонов у дрозофилы и эндогенного ретровируса ВИЧ учеловека (табл.) позволяет предсказывать возможные эволюционно-генетическиесобытия в популяциях человека, судьбу неизбежных сейчас и в будущем егоконтактов с чужими геномами.
/>
Принцип факультативности иобобщенная концепция генома
Многие факты изменчивости, связанной с мобильнымиэлементами, не укладываются в представления о мутациях как о локализованныхизменениях структуры, числа или расположения генных локусов. Дабы совместитьданные классической и “подвижной” генетики, я в 1985 г. предложил естественнуюклассификацию элементов генома, включающую две подсистемы: облигатные (гены иих регуляторные области в хромосомах) и факультативные элементы (ДНК- иРНК-носители, число и топография которых варьирует в разных клетках илиорганизмах одного вида) [8].
Из этой классификации вытекают важные следствия, позволяющиеосмыслить или сформулировать многие необычные факты из области наследственнойизменчивости. 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 силуслучайности они различаются по числу и составу цитоплазматическихфакультативных элементов. Соотношение фракций облигатных и факультативныхэлементов ДНК – относительно устойчивый видовой признак. Имея сходное числогенных локусов, близкие виды могут отличаться по количеству ДНК в 2—5 и болеераз, наращивая блоки повторов и меняя их геномную топографию. Между облигатнойи факультативной частями генома непрерывно наблюдаются разные переходы. Самыеочевидные примеры — мутации генов за счет внедрения (инсерций) мобильныхэлементов или умножение числа (амплификация) сегментов хромосом и переход их вразные внутри- и внехромосомные состояния;
характерный тип наследственной изменчивости для каждой издвух подсистем генома. Моргановские мутации легко соотносятся с облигатнымкомпонентом. Разнообразные наследственные изменения в числе и топографиифакультативных 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, упорядоченныеизменения под действием самых разных, в том числе слабых немутагенных факторов(температуры, пищевого режима и т.д.);
двухэтапный характер большинства природных наследственныхизменений. Сначала активизируются факультативные элементы как наиболеечувствительные к изменениям среды. Затем начинают опосредованно поражаться игенные локусы. К такому выводу мы пришли в ходе многолетних наблюдений завспышками мутаций в природе. Большинство их оказалось нестабильными и быливызваны инсерциями мобильных элементов, которые таинственным образом время отвремени активируются в природе. У дрозофилы около 70% мутаций, возникших вприроде или лаборатории спонтанно, связано с перемещениями мобильных элементов.
Мак-Клинток впервые сделала заключение, что активацияфакультативных элементов и последующая структурная реорганизация генома могутбыть следствием адаптивного ответа клетки на стресс [9]. Наследственнаясистема, активируя факультативные элементы, осуществляет генетический поиск,переходя к новому адаптивному уровню функционирования. Так, многолетниеисследования Л.З.Кайданова показали, что после длительного инбридинга в линияхдрозофил вдруг за одно-два поколения происходят множественные кооперативные перемещенияподвижных генов и сайт-специфичные перестройки хромосом; при этом одновременнорезко повышается выживаемость.
Обобщенное представление о геноме как ансамбле облигатных ифакультативных элементов расширяет и понятие “горизонтальный перенос”, включающийне только интеграцию чужеродных генов в хромосомы ядра. О горизонтальномпереносе можно говорить уже и в случаях создания устойчивой ассоциации двухгенетических систем, в которой появляются новые признаки и свойства.
Функциональная факультативность генома
Наследственные изменения возникают в результате ошибокпроцессов, оперирующих с наследственным материалом любых живых организмов, —репликации, транскрипции, трансляции, а также репарации и рекомбинации.
Факультативность репликации означает возможностьотносительно автономной гипер- или гипорепликации отдельных участков ДНК,независимо от плановой закономерной репликации всей геномной ДНК в ходе деленияклетки. Такими свойствами обладают участки хромосом с повторами, блокигетерохроматина. При этом автономная репликация приводит к умножению числаотдельных сегментов и имеет, как правило, адаптивный характер.
Факультативность транскрипции состоит в возможностипоявления разных мРНК с одной и той же матрицы за счет присутствия в данномлокусе более одного промотора и альтернативного сплайсинга. Эта ситуациянормальна 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 всинтезируемый белок. Такая трансляция зависит от физиологических условий вклетке и от генотипа.
Согласно теории мутационного процесса М.Е.Лобашева,возникновение мутации связано со способностью клетки и ее наследственныхструктур к репарации повреждений. Отсюда следует, что появлению мутациипредшествует состояние, когда повреждение либо полностью обратимо, либо можетреализоваться в виде мутации, понимаемой как “нетождественная репарация”. Кначалу 70-х годов выяснилось, что стабильность ДНК в клетке не имманентноесвойство самих молекул ДНК, — оно поддерживается особой ферментативнойсистемой.
С середины 70-х годов стала проясняться эволюционная роль“ошибок рекомбинации” как индуктора наследственных изменений, причем гораздоболее мощного, чем ошибки репликации ДНК.
На молекулярном уровне различают три варианта рекомбинации:общую, сайт-специфичную и репликативную. Для первой, общей, регулярнойрекомбинации (кроссинговер) репарация включают разрывы в цепи ДНК, их сшивку ивосстановление. 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 соматическаялокальная рекомбинация в онтогенезе между иммуноглобулиновыми генами, создающаяих поразительное разнообразие.
Ошибки общей рекомбинации можно рассматривать какзакономерные следствия линейно протяженной структуры генов. Возникает дилемма,о которой писал Хесин: можно считать, что митотические рекомбинации — особыйтип мутагенеза или, напротив, некоторые виды мутаций (хромосомные аберрации) —результат “ошибок” митотических рекомбинаций.
Если перемещения мобильных элементов или рекомбинацияучастков запрограммированы в онтогенезе, классифицировать такие наследственныеизменения трудно. Трансформацию пола у дрожжей долгое время считали мутационнымсобытием, но оказалось, что на определенной стадии развития аскоспор онапроисходит с высокой вероятностью в результате сайт-специфичной рекомбинации.
Вариации генома в ответ на вызовсреды
В теории эволюции и в генетике всегда обсуждался вопрос освязи наследственных изменений с направлением отбора. Согласно дарвиновским ипостдарвиновским представлениям, наследственные изменения происходят в разныхнаправлениях и лишь затем подхватываются отбором. Особенно наглядным иубедительным оказался метод реплик, изобретенный в начале 50-х годов супругамиЛедерберг. С помощью бархатной материи они получали точные копии — отпечатки —опытного посева бактерий на чашке Петри. Затем на одной из чашек вели отбор наустойчивость к фагу и сопоставляли топографию точек появления устойчивыхбактерий на чашке с фагом и в контроле. Расположение устойчивых к фагу колонийбыло одинаковым в двух чашках-репликах. Такой же результат получили и прианализе положительных мутаций у бактерий, дефектных по какому-либо метаболиту.
Открытия в области подвижной генетики показали, что клеткакак целостная система в ходе отбора может адаптивно перестраивать свой геном.Она способна ответить на вызов среды активным генетическим поиском, а непассивно ждать случайного возникновения мутации, позволяющей выжить. А в опытахсупругов Ледерберг у клеток не было выбора: либо смерть, либо адаптивнаямутация.
В тех же случаях, когда фактор отбора не летален, возможныпостепенные перестройки генома, прямо или косвенно связанные с условиямиотбора. Это выяснилось с открытием в конце 70-х годов постепенного умножениячисла локусов, в которых расположены гены устойчивости к селективному агенту,блокирующему деление клеток. Известно, что метотрексат — ингибитор клеточногоделения — широко применяется в медицине для остановки роста злокачественныхклеток. Этот клеточный яд инактивирует фермент дигидрофолатредуктазу (ДГФР),работу которого контролирует определенный ген.
Рассмотрим, как в ходе подобного отбора менялся геном уодноклеточного паразитического жгутиконосца лейшмании Leishmania tropica, вызывающегокожные язвы и передающегося человеку москитами от грызунов. До начала опытовген устойчивости был в геноме лейшмании в одной дозе. В результате отбора числогенов устойчивости увеличилось (амплифицировалось). Что же наблюдали при разныхвариантах отбора?
Устойчивость клеток лейшмании к яду-цитостатику(метотрексат) возрастала ступенчато, и пропорционально увеличивалась доляамплифицированных сегментов с геном устойчивости. Умножался не толькоселектируемый ген, но и большие прилежащие к нему участки ДНК, названные ампликонами.Когда устойчивость к яду у лейшмании повысилась в 1000 раз, амплифицированныевнехромосомные сегменты составили до 10% ДНК в клетке! Можно сказать, что изодного облигатного гена образовался пул факультативных элементов. Произошлаадаптивная перестройка генома в ходе отбора.
Если отбор продолжался достаточно долго, часть ампликоноввстраивалась в исходную хромосому, и после прекращения отбора устойчивосохранялась повышенная устойчивость.
С удалением из среды селективного агента число ампликонов сгеном устойчивости постепенно снижалось в ряду поколений и одновременно падалаустойчивость. Тем самым был смоделирован феномен длительных модификаций, когдамассовые изменения, вызванные средой, наследуются, но постепенно угасают в рядупоколений.
При повторном отборе часть сохранившихся в цитоплазмеампликонов обеспечивала быструю их автономную репликацию, и устойчивостьвозникала гораздо быстрее, чем в начале опытов. Иными словами, формироваласьсвоеобразная клеточная ампликонная память о прошедшем отборе на основесохранившихся ампликонов.
Если сопоставить метод реплик и ход отбора на устойчивость вслучае амплификации, то оказывается, что именно контакт с селективным факторомвызвал преобразование генома, характер которого коррелировал с интенсивностью инаправлением отбора.
Дискуссия об адаптивных мутациях
В 1988 г. в журнале “Nature” появилась статья Дж.Кэйрнса ссоавторами о возникновении у бактерии E.coli отборзависимых “направленныхмутаций”. Брали бактерии, несущие мутации в гене lacZ лактозного оперона,неспособные расщеплять дисахарид лактозу. Но эти мутанты могли делиться насреде с глюкозой, откуда их через один—два дня роста переносили на селективнуюсреду с лактозой. Отобрав lac+ реверсов, которые, как и ожидалось, возникли ещев ходе “глюкозных” делений, нерастущие клетки оставляли в условиях углеводногоголодания. Сначала мутанты отмирали. Но спустя неделю и более наблюдался новыйрост за счет вспышки реверсий именно в гене lacZ. Как будто клетки в условияхжесткого стресса, не делясь (!), вели генетический поиск и адаптивно менялисвой геном [10].
В последующих работах Б.Холла использовались бактерии,мутантные по гену утилизации триптофана (trp). Их помещали на среду, лишеннуютриптофана, и оценивали частоту реверсий к норме, которая повышалась именно притриптофановом голодании. Но причиной этого феномена были не сами условияголодания, ибо на среде с голоданием по цистеину частота реверсий к trp+ не отличаласьот нормы.
В следующей серии опытов Холл взял уже двойных недостаточныхпо триптофану мутантов, несущих одновременно мутации в генах trpA и trpВ, ивновь поместил бактерии на среду, лишенную триптофана. Выжить могли толькоособи, у которых реверсии возникали одновременно в двух триптофановых генах.Частота появления таких особей была в 100 млн раз выше, чем ожидалось припростом вероятностном совпадении мутаций в двух генах. Холл предпочел называтьэтот феномен “адаптивные мутации” и впоследствии показал, что они возникают и удрожжей, т.е. у эвкариот [11].
Публикации Кэйрнса и Холла немедленно вызвали бурнуюдискуссию. Итогом ее первого раунда стало выступление одного из ведущихисследователей в области подвижной генетики Дж.Шапиро. Он кратко обсудил двеосновные 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 менятьсяв зависимости от физиологии клетки. Во-вторых, частота возникновениянаследственных изменений всегда оценивается не для одной клетки, а дляклеточной популяции, в которой клетки могут обмениваться между собойнаследственной информацией. Кроме того, межклеточный горизонтальный перенос спомощью вирусов или передачи сегментов ДНК усиливается в стрессовых условиях.Как считает Шапиро, эти два механизма объясняют феномен адаптивных мутаций ивозвращают его в русло обычной молекулярной генетики [11]. Каковы же, на еговзгляд, итоги дискуссии? “Мы нашли там генетического инженера с впечатляющимнабором замысловатых молекулярных инструментов для реорганизации ДНК-молекулы”[12].
За последние десятилетия на уровне клетки открыта такаянепредвиденная сфера сложности и координации, которая более совместима скомпьютерной технологией, нежели с механизированным подходом, доминировавшим вовремя создания неодарвинистского современного синтеза. Вслед за Шапиро, можноназвать по крайней мере четыре группы открытий, изменивших понимание клеточныхбиологических процессов.
Организация генома. У эвкариот генетические локусы устроеныпо модульному принципу, представляя собой конструкции из регуляторных икодирующих модулей, общих для всего генома. Это обеспечивает быструю сборкуновых конструкций и регуляцию генных ансамблей. Локусы организованы виерархические сети, во главе с главным геном-переключателем (как в случаерегуляции пола или развития глаза). Причем многие из соподчиненных геновинтегрированы в разные сети: они функционируют в разные периоды развития ивлияют на множество признаков фенотипа.
Репаративные возможности клетки. Клетки вовсе непассивные жертвы случайных физико-химических воздействий, поскольку в нихимеется система репараций на уровне репликации, транскрипции и трансляции.
Мобильные генетические элементы и природная генетическаяинженерия. Работа иммунной системы построена на непрерывном конструированииновых вариантов молекул иммуноглобулинов на основе действия природныхбиотехнологических систем (ферменты: нуклеазы, лигазы, обратные транскриптазы,полимеразы и т.д.). Эти же системы используют мобильные элементы для созданияновых наследуемых структур. При этом генетические изменения могут бытьмассовыми и упорядоченными. Реорганизация генома — один из основныхбиологических процессов. Природные генноинженерные системы регулируютсясистемами с обратной связью. До поры до времени они пребывают в неактивномсостоянии, но в ключевые периоды или во время стресса приводятся в действие.
Клеточный информационный процессинг. Возможно, одноиз самых важных открытий в области биологии клетки состоит в том, что клетканепрерывно собирает и анализирует информацию о своем внутреннем состоянии ивнешней среде, принимая решение о росте, движении и дифференциации. Особеннопоказательны механизмы контроля клеточного деления, лежащие в основе роста иразвития. Процесс митоза универсален у высших организмов и включает трипоследовательных этапа: подготовка к делению, репликация хромосом и завершениеделения клетки. Анализ генного контроля этих фаз привел к открытию особыхточек, в которых клетка проверяет, произошла ли репарация нарушений в структуреДНК на предыдущем этапе или нет. Если ошибки не будут исправлены, последующийэтап не начнется. Когда же ликвидировать повреждения нельзя, запускаетсягенетически запрограммированная система клеточной смерти, или апоптоза.
В условиях вызова среды клетка действует целенаправленно,подобно компьютеру, когда при его запуске шаг за шагом проверяется нормальнаяработа основных программ, и в случае неисправности работа компьютераостанавливается. В целом становится очевидной, уже на уровне клетки, правотанетрадиционного французского зоолога-эволюциониста Поля Грассэ: “Жить —значит реагировать, а отнюдь не быть жертвой”.
Пути возникновения естественных наследственных изменений всистеме среда—факультативные элементы—облигатные элементы. Факультативныеэлементы первыми воспринимают немутагенные факторы среды, а возникающие затемвариации вызывают мутации. На поведение факультативных элементов влияют иоблигатные элементы.
Неканонические наследственные изменения, возникающие подвлиянием отбора к цитостатикам и приводящие к амплификации генов.
/>Приобретенныепризнаки наследуются
“История биологии не знает более выразительного примерамноговекового обсуждения проблемы, чем дискуссия о наследовании или оненаследовании приобретенных признаков”, — эти слова стоят в начале книгиизвестного цитолога и историка биологии Л.Я.Бляхера [12]. В истории, пожалуй,можно вспомнить аналогичную ситуацию с попытками превращения химическихэлементов. Алхимики верили в эту возможность, но в химии утвердился постулат онеизменности химических элементов. Однако ныне в ядерной физике и химииисследования по превращению элементов и анализ их эволюции — дело обычное. Кто жеоказался прав в многовековом споре? Можно сказать, что на уровне химическихмолекулярных взаимодействий не происходит превращения элементов, а на ядерномуровне оно — правило.
Напрашивается сходная аналогия и с вопросом о наследованиипризнаков, которые появились в ходе онтогенеза. Если вновь возникающиенаследственные изменения сводить лишь к мутациям генов и хромосом, тогда вопросможно считать закрытым. Но если исходить из обобщенной концепции генома,включая представление о динамической наследственности [2, 3], проблемануждается в пересмотре. Помимо мутационной существует вариационная и эпигенетическаяформы наследственной изменчивости, связанные не с изменениями в тексте ДНК, а всостоянии гена. Такие эффекты обратимы и наследуемы.
Интересно, что вышедший в конце 1991 г. Международныйежегодник по генетике открывается статьей О.Ландмана “Наследованиеприобретенных признаков” [13]. Автор суммирует уже давно полученные в генетикефакты, показывая, что “наследование приобретенных признаков вполнесовместимо с современной концепцией молекулярной генетики”. Ландмандетально рассматривает около десяти экспериментальных систем, в которыхустановлено наследование приобретенных признаков. Четыре разных механизмаспособны привести к нему: изменение структур клеточной оболочки, или кортекса,изученное Т. Соннеборном у инфузорий; ДНК-модификации, т.е. клональнопередаваемые изменения в характере локального метилирования ДНК (сюда входитфеномен импринтинга); эпигенетические изменения без каких-либо модификаций ДНК;индуцированная утрата либо приобретение факультативных элементов.
Статья Ландмана делает нас как бы свидетелями критическогопериода смены постулата в генетике, казавшегося неколебимым как скала. Авторспокойно, без ажиотажа и новых сногсшибательных фактов, объединяет старые иновые данные в систему, дает им ясное современное истолкование. Можносформулировать общий принцип: наследование приобретенных признаков возможно втех случаях, когда некий фенотипический признак зависит от числа или топографиифакультативных элементов.
Приведу два поучительных примера на дрозофиле: первый связанс поведением вируса сигма, второй — мобильных элементов, ответственных загибридную стерильность самок и сверхмутабильность.
Изучение взаимодействия вируса сигма с геномом дрозофилы началосьболее 60 лет назад. Сначала в 1937 г. французский генетик Ф.Леритье обнаружилрезкие наследственные отличия у разных линий мух по степени чувствительности куглекислому 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 разнымвидам дрозофил. В этих случаях признак передавался не стабильно, но врезультате отбора наследование становилось устойчивым.
/>
Неменделевское наследование признака у дрозофилы, которыйзависит от популяции факультативных элементов генома. Признак чувствительностик СО2 вызван присутствием в цитоплазме мухи рабдовируса сигма. Врезультате температурного шока на ранней стадии развития дрозофилы блокируетсяразмножение вируса, и выросшие особи приобретают устойчивость к нему.
Чувствительность к СО2 оказалась связана сустойчивым размножением в половых и соматических клетках РНК-содержащегопулевидного рабдовируса сигма, сходного по ряду свойств с вирусом бешенства умлекопитающих. Оогонии (клетки, из которых в ходе мейоза и созреванияобразуются яйцеклетки) у самок стабилизированной линии обычно содержат 10-40вирусных частиц, а ооциты (зрелые яйцеклетки) — 1-10 млн. Вирус сигма — типичный факультативный элемент. Мутации в его геноме приводят к сложным формамповедения системы. Найдены случаи вирусоносительства, при которых дрозофилыостаются устойчивы к СО2, но вместе с тем иммунны к заражениюдругими штаммами вируса. Ситуация вполне сравнима с поведением системыфаг-бактерия, что сразу заметили Ф.Жакоб и Э.Вольман.
Взаимоотношения генома дрозофилы и размножающегося в еецитоплазме вируса подчиняются правилам внутриклеточной генетики. Воздействия входе онтогенеза могут вызвать сдвиг в числе и межклеточной топографии частиц икак результат — изменить степень чувствительности к углекислому газу. Так,повышенная температура блокирует репликацию вирусных частиц. Если самок исамцов 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 вряду поколений.
Ситуация с вирусом сигма не единична. Французские генетикиизучали факторы стерильности самок, связанные с поведением мобильных элементовтипа “I”. Наследование этого признака определяется сложнымиядерно-цитоплазматическими взаимодействиями. Если в отцовских хромосомахлокализованы активные I-элементы, то на фоне R-цитоплазмы они начинаютактивироваться, претерпевают множественные транспозиции и в результате вызываютрезкие нарушения онтогенеза в потомстве самок с чувствительной цитоплазмой.Такие самки откладывают яйца, но часть эмбрионов гибнет на ранней стадиидробления — еще до образования бластомеры. Линии, выделенные из природныхпопуляций, отличаются по силе действия I-факторов и степени реактивности (иличувствительности) цитоплазмы. Эти показатели можно изменить внешним влиянием.Возраст исходных родительских самок, а также воздействие в ранний периодразвития повышенной температуры отражаются не только на плодовитости выросшихсамок, но и на плодовитости их потомства. Вызванные условиями среды измененияреактивности цитоплазмы поддерживаются на протяжении многих клеточныхпоколений.“Самое замечательное, что эти изменения реактивности цитоплазмыпод влиянием негенетических факторов наследуются: наблюдается наследование“благоприобретенных” признаков”, — отмечал Р.Б.Хесин [5].
Наследование через цитоплазму: отбабушек до внуков
В теории развития и феногенетике ХХ в. важное место занимаютглубокие и совершенно оригинальные исследования эмбриолога П.Г.Светлова(1892-1972). Остановимся на разработанной им теории квантованности онтогенеза(наличии критических периодов в развитии, когда происходит детерминацияморфогенетических процессов и одновременно повышается чувствительность клеток кповреждающим агентам) и на развитой в связи с этим идее, что изучениеонтогенеза надо вести не с момента оплодотворения и образования зиготы, а еще сгаметогенеза, включающего оогенез у самок предшествующего поколения — проэмбрионального периода.
На основании этих постулатов Светлов провел в 60-е годыпростые и ясные опыты на дрозофиле и мышах. Он убедительно показал, чтовозможно стойкое неменделевское наследование свойств цитоплазмы, а модификациив выраженности мутантных признаков, возникшие после кратковременного внешнеговоздействия в критический период развития организма, тоже передаются в рядупоколений [14].
В одной из серий опытов он сравнивал степень проявлениямутантного признака в потомстве двух линий мышей, гетерозиготных по рецессивноймутации микрофтальмии (уменьшенный размер сетчатки и глаз с момента рождения):нормальных по фенотипу гетерозигот, у которых мутантными были матери, и тех, укоторых мутантны отцы. Потомство от мутантной бабушки отличалось более сильнымпроявлением признака. Светлов объяснял этот странный факт тем, что женскиегаметы гетерозиготных самок находились еще в теле их мутантных матерей ииспытывали с их стороны влияние, которое усилило мутации у внуков.
По существу Светлов установил явление, впоследствииполучившее название “геномный импринтинг” — различие в выраженности гена взависимости 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, какостроумно заметил К.Сапиенца, исследователь этого феномена, было“принятосчитать генетическим курьезом, затрагивающим лишь очень немногие признаки. Менянеоднократно спрашивали, почему я попросту трачу свое время на стольнезначительное явление” [15]. Большинство исследователей безоговорочнопринимали одно из главных положений Менделя — “зачаток”, или ген, не можетменять свои потенции в зависимости от пола, на чем основано повсеместнонаблюдаемое расщепление 3:1. Но Сапиенца совершенно справедливо заметил, чтопри анализе менделевского расщепления обычно рассматривают только наличие илиотсутствие признака, а если он количественный, то границу есть-нетустанавливают по принятому порогу. Если же выявить, какова степень проявленияпризнака, обнаружится влияние геномного импринтинга.
Именно таков был подход Светлова, когда он тщательно изучал,как меняется выраженность признаков у потомства в зависимости от материнскогогенотипа. Как эмбриолог он видел общность наследственных и особыхненаследственных изменений — фенокопий (имитирующих мутации), еслизатрагивается один и тот же морфогенетический аппарат, ответственный заосуществление данного признака.
Впервые на разных видах животных (дрозофилах и мышах)Светлов показал возможность наследования через мейоз измененного характера проявлениямутантного гена. Недаром эти работы Хесин в своей сводке назвал замечательными[16].
Кратковременное (20 мин) прогревание тела восьмидневногомышонка самки вызывало стойкие изменения ооцитов, ослаблявшие действие вредноймутации у внуков! “Передача улучшения развития глаз, наблюдаемая в опытах снагреванием, может быть объяснена только передачей свойств, приобретенныхооцитами нагретых самок по наследству” [16]. Этот феномен Светлов связывалс особенностями формирования и строения яйцеклетки у животных, ибо “в ооцитеимеется как бы каркас, отражающий наиболее общие черты архитектоники строящегосяорганизма”. Для профилактики нарушений развития у человека он обосновалнеобходимость изучения критических периодов гаметогенеза, в которых повышеначувствительность к повреждениям. Возможно, в патогенезе аномалий развития учеловека этап формирования гамет даже более важен, чем эмбриогенез.
/>
Схема опытов П.Г.Светлова, демонстрирующих передачу вряду поколений мышей мутации — микрофтальмии. Однократное 20-минутное действиеповышенной температуры на мутантных восьмидневных мышат влечет улучшениеразвития глаз у их потомков (F1 и F2). Этот признак наследуется только поматеринской линии и связан с изменением в ооцитах.
Сегодня этот вывод подтвержден молекулярно-генетическимиисследованиями последнего десятилетия [17]. У дрозофилы установлены три системыматеринских генов, которые формируют осевую и полярную гетерогенностьцитоплазмы и градиенты распределения биологически активных генных продуктов.Задолго до начала оплодотворения происходит молекулярная детерминация(предопределение) плана строения и начальных этапов развития. В формированииооцита большую роль играют генопродукты клеток материнского организма. Внекотором смысле это можно сравнить с откармливанием матки в улье группойрабочих пчел.
У человека первичные половые клетки, из которых потом возникаютяйцеклетки-гаметы, начинают обособляться у двухмесячного эмбриона. В возрасте2.5 месяца они вступают в мейоз, но сразу после рождения это делениеблокируется. Оно возобновляется через 14-15 лет с началом полового созревания,когда яйцеклетки раз в месяц выходят из фолликул. Но в конце второго делениямейоз снова останавливается и его блокировка снимается только при встрече соспермием. Таким образом, женский мейоз начинается в 2.5 месяца и заканчиваетсялишь через 20-30 и более лет, сразу после оплодотворения.
Зигота на стадии двух-восьми клеток имеет ослабленныйгеномный иммунитет. При изучении нестабильных инсерционных мутаций в природныхпопуляциях дрозофилы мы обнаружили, что активация мобильного элемента,сопровождаемая мутационным переходом, происходит часто уже в первых деленияхзиготы или в первых делениях первичных половых клеток. В итоге одно мутантноесобытие захватывает сразу клон первичных половых клеток, пул гамет становитсямозаичным, и наследственные изменения в потомстве возникают пучками иликластерами, имитируя семейное наследование.
Эти эксперименты весьма важны для эпидемиологии, когдавозникает вопрос о степени влияния той или иной вирусной эпидемии на генофондпотомства. Начатые еще в начале 60-х годов пионерные исследования С.М.Гершензонаи Ю.Н.Александрова привели к выводу, что ДНК- и РНК-содержащие вирусы и ихнуклеиновые кислоты — мощные мутагенные агенты. Попадая в клетку, онипровоцируют геномный стресс, активируют систему мобильных элементов хозяина ивызывают нестабильные инсерционные мутации в группе избранных локусов,специфичных для каждого агента.
Теперь представим, что мы хотим оценить влияние нанаследственную изменчивость у человека какой-либо вирусной пандемии (например,гриппа). При этом можно ожидать, что частота разного рода аномалий развитиябудет повышена в первом поколении у потомства, родившегося в год или спустя годпосле эпидемии. Оценку же частоты мутационных и вариационных изменений вполовых клетках (гаметах) следует проводить во внучатом поколении.
/>
Схема оогенеза в трех последовательных женскихпоколениях. P — бабушка, F1 — мама, F2 — дочь.
Общий вывод состоит в том, что наследственная изменчивость увнуков может весьма зависеть от условий, в которых происходил оогенез у ихбабушек! Представим женщину, которой в 2000 г. было около 25 лет, а матерью онастанет в третьем тысячелетии. Оплодотворенная яйцеклетка, из которой она самапоявилась на свет, начала формироваться в то время, когда ее мать была ещедвухмесячным эмбрионом, т.е. где-то в середине 50-х годов ХХ в. И если в этигоды свирепствовал грипп, то его последствия должны сказаться через поколение.Для оценки последствий глобальной эпидемии на генофонд человечества надосравнивать внучатое потомство трех групп, или когорт, — тех, у которых бабушкибыли беременны в год, когда разразилась эпидемия, с теми, чьи бабушкизабеременели до и после пандемии (это две контрольные когорты). К сожалению,такие важные для охраны здоровья эпидемиолого-генетические сведения покаотсутствуют.
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 годовпроизошел психологический перелом: резко возросло число работ в областинаследственной изменчивости, в названии которых стоит слово “эпигенетический”.
Разного рода эпимутации (наследственные вариации в характерегенной активности, не связанные с изменениями в тексте ДНК и носящие массовый,направленный и обратимый характер) перешли из разряда маргинальных в активноизучаемое явление. Стало очевидно, что живые системы обладают оперативной “памятью”,которая находится в непрерывном контакте со средой и использует средстваприродной эмбриогенетической инженерии для быстрого наследуемого перехода изодного режима функционирования в другой. Живые системы не пассивные жертвыестественного отбора, а все эволюционные формы жизни вовсе не “помарка закороткий выморочный день”, как писал Мандельштам в своем известном шедевре“Ламарк”.
Оказалось, что эпимутации сплошь и рядом можно обнаружить уобычных “классических генов”, надо только подобрать пригодную экспериментальнуюсистему. Еще в 1906 г., за пять лет до того как Морган стал работать сдрозофилой, французский биолог-эволюционист Л.Кэно открыл у мышей менделевскуюмутацию “желтое тело”. Она обладала удивительной особенностью — доминантностьюпо отношению к нормальной окраске (серо-коричневой) и летальностью вгомозиготе. При скрещивании гетерозиготных желтых по цвету мышей друг с другомиз-за гибели гомозигот нормальные мыши появлялись в потомстве в соотношении не3:1, а 2:1. Впоследствии оказалось, что так ведут себя многие доминантныемутации у разных организмов.
Выяснилось, что в области транскрипции одного из аллелейгена “желтое тело” внедрен мобильный элемент, напоминающий по структуре исвойствам ретровирус. В результате такой вставки ген стал подчиняться знакампунктуации своего незваного гостя и непредсказуемо активироваться “вненужное 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 инойстепени гасится в разных тканях за счет обратимой модификации или метилированияоснований ДНК. На уровне фенотипа проявление доминантного аллеля сильноколеблется и носит мозаичный характер. Австралийские генетики обнаружили, что уотобранных из гомогенной линии желтых самок в потомстве было больше желтыхмышей, а фенотип отца -носителя мутации — не влияет на изменение окраски употомства. Самки оказались более инерционны, и они, отобранные по фенотипумодификации ДНК, или отпечатки-импринты лучше сохранялись в оогенезе. Другиегенетики нашли и чисто материнское влияние, аналогичное обнаруженному в опытахСветлова. В зависимости от диеты беременных самок выраженность мутации “желтоетело” определенным образом менялись в генотипе гетерозигот. Такое измененноесостояние нестойко, но наследовалось в потомстве. Степень проявления признакакоррелировала со степенью метилирования оснований ДНК во вставке.
Касаясь этих и других подобных опытов, научный обозревательжурнала “Sсience” назвал свою заметку “Был ли все же Ламарк немного прав?”Такая тактичность понятна. Во-первых, осторожность оправдана, когда приходитсяревизовать то, что десятилетиями считалось прочно установленным. Во-вторых,наследование приобретенных признаков связывается не только с именем Ламарка, нои с призраком Лысенко (о последнем упоминает автор заметки). Действительно,вольно или невольно тень “мичуринской биологии” всплывает, когда обсуждаетсяпроблема наследования приобретенных признаков. И не только в России, где ещетак 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 почтиабсолютной истиной. И тем не менее, если тот или иной серьезный исследовательобнаруживал что-либо внешне созвучное взглядам Лысенко, он опасался этообнародовать, боясь остракизма со стороны научного сообщества. И даже еслиработа публиковалась, она сопровождалась многими оговорками и оставалась напериферии науки.
Познакомившись в 60-е годы со статьями А.А.Любищева (самогоблизкого друга Светлова), я пытался понять, почему он, будучи одним из самыхактивных самиздатных критиков лысенкоизма с 1953 по 1965 г. — его статьи иписьма были собраны в книге “В защиту науки” (Л., 1990), — тем не менее несчитал вопрос о наследовании приобретенных признаков окончательно решенным.Этот всеми признанный знаток эволюционной биологии указывал на незавершенностьтеории наследственности, на сходство наследственной и модификационнойизменчивостей. Теперь мы знаем, как трудно бывает во многих случаях провестимежду ними границу. Любищев приводил факты массовых, быстрых и упорядоченныхпреобразований фенотипа в эволюции, явно необъяснимых с позиций моргановскихмутаций и дарвиновского отбора. Возвысив свой голос против монополии Лысенко,Любищев выступал в защиту науки как таковой, против утвердившегося в нейаракчеевского режима. В сфере же самой науки он следовал древнему принципу: “Платонмне друг, но истина дороже”. И поэтому не скрывал своих несогласий сомногими генетиками и дарвинистами. Да, Любищев оказался прав, древо жизни кудасложнее самонадеянных рассуждений.
Литература
/>1. Баранов В.С. и др. Геном человека игены предрасположенности. СПб., 2000.
/>2. Голубовский М.Д., Чураев Р.Н.Динамическая наследственность // Природа. 1997. №4. С.16—25.
/>3. Чураев Р.Н. Об одной неканоническкойтеории наследственности // Совр. концепции эволюц. генетики. Новосибирск, 2000.С.22—32.
/>4. Инге-Вечтомов С.Г. Прионы дрожжей ицентральная 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. Проблеманаследования приобретенных признаков. М., 1971.
/>13. Landman O. // Ann. Rev.Genet.1991. V.25. P.1-20.
/>14. Соколова К.Б. Развитиефеногенетики 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 генетикуразвития. М., 1999.