Неканонічні спадкові зміни

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


Генетика як наука оформилася 100 років тому, після повторного відкриття законів Менделя. Її бурхливий розвиток ознаменувалося в останні роки розшифровкою нуклеотидного складу ДНК геному багатьох десятків видів. Виникли нові гілки знань - геноміка, молекулярна палеогенетіка. На початку 2001 р. в рамках дорогої 10-річної міжнародної програми оголошено про принципову розшифровці генома людини. Ці досягнення, мабуть, можна порівняти з виходом людини в космос і висадкою на Місяць.

Генетична інженерія та біотехнологія сильно змінили обличчя науки. Ось цікавий епізод, який вже потрапив в новітню зведення: "Після 1998 року розпочалася безпрецедентна гонка між 1100 вченими світового співтовариства проекту" Геном людини "і приватної акціонерної фірмою" Celera Genomics "" [1]. Фірма сподівалася першому прийти до фінішу і отримувати вигоду від патентування фрагментів ДНК людини. Але поки переміг принцип: "Що створено природою і Богом, не може патентуватися людиною".

Чи міг уявити таку фантасмагоричну картину Грегор Мендель, неспішно проводячи рік за роком свої досліди у тиші монастирського садка? В якій мірі вона трансформує природне саморозвиток науки? Чи справді тотальний аналіз ДНК геномів знімає всі покриви? Сподівання, що Буратіно вже знайшов заповітний золотий ключик від потайних дверей, зіткнулися з непередбаченою реальністю і парадоксами. У людини лише 3% ДНК геному кодують білки, і, можливо, ще 20-25% беруть участь у регуляції дії генів. Яка ж функція, і чи є вона в решті частини ДНК? Гени у геномі часом порівнюють з невеликими островами в морі неактивних і, можливо, "сміттєвих" послідовностей. ДНК-гонка часом нагадує приказку: "принеси те, не знаю що".

Заперечення скептиків аж ніяк не знято. Адже при тотальному секвенування номінація (застосую модний термін) певного відрізка ДНК в "ранг гена" проводиться лише на основі суто формальних критеріїв (знаків генетичної пунктуації, необхідних для транскрипції). Роль, час і місце дії більшості "генів-номінантів" поки абсолютно незрозумілі.

Але є й інша проблема. Під геномом треба розуміти всю спадкову систему, включаючи не тільки структуру певного набору ДНК елементів, а й характер зв'язків між ними, який визначає хід онтогенезу в конкретних умовах середовища. У наявності системна тріада: елементи, зв'язки між ними і властивості цілісності. Звідси випливає важливий висновок: знання структури генів на рівні ДНК - необхідно, але зовсім недостатньо для опису геному. Ми лише на порозі осягнення динамічного способу організації і неканонічних форм спадкування [2, 3].

Несподівано в кінці ХХ ст. питання про те, які кордони та спектр спадкової мінливості, вийшов за рамки чисто академічних дискусій. Спочатку в Англії, а потім і в Німеччині довелося забивати худобу із-за нейродегенеративної аномалії, здатної передаватися людям з м'ясом хворих тварин. Інфекційним агентом виявилися не ДНК або РНК, а білки, названі пріонами (від англ. Prions - protein infectious particles - білкові інфекційні частинки).

Вперше з їх незвичайним проявом дослідники зіткнулися ще в 60-і роки. Але тоді цей феномен намагалися витлумачити в рамках класичних уявлень, вважаючи, що це "повільні вірусні інфекції" тварин або особливий тип супресорних мутацій у дріжджів. Тепер з'ясовується, "феномен пріонів не є екзотикою, характерною для ссавців, а скоріше - приватним випадком общебиологического механізму" динамічного спадкування [4]. Ймовірно, центральну догму молекулярної генетики доведеться доповнити з урахуванням можливості внутрішньо-і міжвидової передачі за типом інфекцій [5].

На початку 80-х років класик молекулярної біології і генетики Р. Б. Хесин виділив три форми неканонічною спадкової мінливості: невипадкові впорядковані зміни в локусах і ділянках хромосом, які складаються з повторів ДНК; зміна і успадкування властивостей цитоплазми; епігенетичні успадкування локальних і загальних змін упаковки хроматину. Потім додалися мобільні гени, поведінка яких призвело до проблеми мінливості геномів [6].

Мета цієї статті - показати, що різні форми неменделевского спадкування не виняток, а наслідок більш загальних уявлень про організацію геному. Спадкові зміни аж ніяк не зводяться тільки до мутацій [7].

Андре Львів і роль його відкриття

За дивовижним збігом в один і той ж 1953 р. з'явилися дві статті, що визначили обличчя сучасної генетики: відкриття подвійної спіралі ДНК Дж.Уотсоном і Ф. Криком і концепція профага і лизогении бактерій А. Львова (1902-1994), яка, на мій погляд, має зараз для біології, медицини і генетики не менше значення, ніж подвійна спіраль ДНК.

Львів встановив, що фаг може вбудовуватися в хромосому бактерії і передаватися у ряді багатьох поколінь як звичайний бактеріальний ген. У такому стані у фага працює лише ген-репрессор, який блокує роботу всіх інших його локусів. Бактерія, що включила фаг у свій геном, називається лизогенной, а вбудований фаг - профагом. Така лизогенной бактерія захищена від зараження іншими фагами. Під дією ультрафіолету або змін внутрішнього середовища клітини репрессор інактивується, блокада знімається, і фаг розмножується, викликаючи загибель клітини. Тепер навіть важко уявити, наскільки революційним було це відкриття.

Андре Львів - виходець з Росії, його батьки емігрували до Франції в кінці XIX ст. Образ матері вченого Марії Сіміновіч назавжди зображений на полотні художника В. Сєрова "Дівчина, освітлена сонцем" (1888). Марія Яківна Львова-Сіміновіч дожила до 90 років. За кілька тижнів до другої світової війни вона передала в Третьяковську галерею листи і малюнки В. Сєрова [9]. Батько Львова був знайомий з Мечниковим і водив сина до нього в Інститут Пастера. Так через століття і країни тягнуться і переплітаються нитки культури. За своє довге життя А. Львова працював послідовно як протозоолог, бактеріолог, біохімік, генетик і, нарешті, як вірусолог. В Інституті Пастера він патронував і Ж. Моно, і Ф. Жакоб, що розділили з метром Нобелівську премію 1965 р. За відкриття оперону.

Вже з 20-х років були відомі штами бактерій, які нібито несуть фаги в прихованому стані і час від часу викликають лізис клітин. Однак відкривач бактеріофагії Ф.Д 'Еррель дивився на фаг тільки як на летальний для клітини агент, не допускаючи думки про його прихованому стані. Цю думку поділяв спочатку і класик молекулярної генетики М. Дельбрюк. Справа в тому, що він і його колеги в США працювали з так званими Т-фагами, які нездатні вбудовуватися в хромосому бактерій. У силу "демона авторитетів" лизогенной з 20-х років скрупульозно не займалися. Піонер цих робіт, блискучий мікробіолог з Інституту Пастера, Ежен Вольман був схоплений німцями як єврей під час окупації Парижа і загинув.

Після війни Львів відновив у Пастерівському інституті дослідження прихованого фагоносітельства. У 1953 р. він створив струнку концепцію профага, відразу ж усвідомивши її значення для вірусної теорії раку і ряду вірусних патологій у людини. Його ясна схема феномена лизогении досі наводиться в усіх зведеннях з молекулярної генетики.

У 1958 р. Ф. Жакоб і Еліас Вольман (син Ежена Вольман) ввели термін "епісома" для елементів, здатних існувати або у вільному, або інтегрованому в геном господаря стані. До епісома вони віднесли помірні фаги, статеві ворсинки бактерій, фактори коліціногенності, за допомогою яких одні штами бактерій вбивають інші бактерії. У чудовій книзі "Пол і генетика бактерій", написаної в 1961 р. (і вже на наступний рік вийшла стараннями відомого генетика С. І. Аліханяна в російській перекладі), автори передбачали існування епісомоподобних елементів і у вищих організмів, прозорливо вказуючи на "контролюючі елементи ", відкриті Б.Мак-Клінток на початку 50-х років (Нобелівська премія з фізіології і медицині 1983 р.). Однак у той час вони не припускали, наскільки глибока ця аналогія. Після відкриття на початку 70-х років но інсерційні мутацій, викликаних включенням вірусної ДНК в клітинний геном бактерій, з'явилася можливість вибудувати еволюційний ряд двосторонніх переходів: но інсерційні сегменти "транспозони" плазміди "фаги.

Подібні ряди перевтілень знайдені і у евкаріот. У дрозофіли мобільні елементи сімейства gypsy ("циган") можуть існувати у вигляді вбудованих в хромосому копій; перебувати у вигляді їх повних або зменшених кільцевих або лінійних плазмід в цитоплазмі; нарешті, у випадку окремих "дозволяють" мутацій у геномі хазяїна здатні одягнутися оболонкою, стати справжніми інфекційними ретровірусами і заражати сторонніх господарів через корм. Подібність Р-транспозонов у дрозофіли та ендогенного ретровірусу ВІЛ у людини (табл.) дозволяє прогнозувати можливі еволюційно-генетичні події в популяціях людини, долю неминучих зараз і в майбутньому його контактів з чужими геномами.

Неканонічні спадкові зміни

Принцип факультативності й узагальнена концепція геному

Багато фактів мінливості, пов'язаної з мобільними елементами, не вкладаються в уявлення про мутації як про локалізовані зміни структури, числа або розташування генних локусів. Щоб поєднати дані класичної і "рухомий" генетики, я в 1985 р. запропонував природну класифікацію елементів геному, що включає дві підсистеми: облігатні (гени та їх регуляторні області в хромосомах) і факультативні елементи (ДНК-і РНК-носії, число і топографія яких варіює в різних клітках або організмах одного виду) [8].

З цієї класифікації випливають важливі слідства, дозволяють осмислити або сформулювати багато незвичайні факти з області спадкової мінливості. Назвемо деякі з них:

універсальність факультативності. Ні видових геномів, які складаються лише з облігатних елементів, як немає живих організмів, що складаються лише з скелетного остова;

генетична неідентичність дочірніх клітин. У силу випадковості вони розрізняються за кількістю та складом цитоплазматичних факультативних елементів. Співвідношення фракцій облігатних і факультативних елементів ДНК - відносно стійкий видова ознака. Маючи подібне число генних локусів, близькі види можуть відрізнятися за кількістю ДНК в 2-5 і більше разів, нарощуючи блоки повторів і змінюючи їх геномну топографію. Між облігатної та факультативної частинами геному безперервно спостерігаються різні переходи. Найбільш очевидні приклади - мутації генів за рахунок впровадження (інсерцій) мобільних елементів або множення числа (ампліфікація) сегментів хромосом і перехід їх у різні внутрішньо-і позахромосомних стану;

характерний тип спадкової мінливості для кожної з двох підсистем геному. Моргановского мутації легко співвідносяться з облігатним компонентом. Різноманітні спадкові зміни в числі і топографії факультативних елементів я запропонував називати "варіаціями" (як у музиці - варіації на задану тему). Мутації, згідно класичним уявленням, відбуваються, як правило, випадково, з низькою частотою в окремих особин. Характер варіацій зовсім інший - тут можливі масові, впорядковані зміни під дією різних, в тому числі слабких немутагенних факторів (температури, харчового режиму і т.д.);

двоетапний характер більшості природних спадкових змін. Спочатку активізуються факультативні елементи як найбільш чутливі до змін середовища. Потім починають опосередковано дивуватися і генні локуси. До такого висновку ми дійшли в ході багаторічних спостережень за спалахами мутацій у природі. Більшість їх виявилося нестабільними і були викликані інсерцій мобільних елементів, які таємничим чином час від часу активуються в природі. У дрозофіли близько 70% мутацій, що виникли в природі або лабораторії спонтанно, пов'язане з переміщеннями мобільних елементів.

Мак-Клінток вперше зробила висновок, що активація факультативних елементів і подальша структурна реорганізація генома можуть бути наслідком адаптивного відповіді клітини на стрес [9]. Спадкова система, активуючи факультативні елементи, здійснює генетичний пошук, переходячи до нового адаптивному рівнем функціонування. Так, багаторічні дослідження Л. З. Кайданова показали, що після тривалого інбридингу в лініях дрозофіл раптом за одне-два покоління відбуваються множинні кооперативні переміщення рухомих генів і сайт-специфічні перебудови хромосом, при цьому одночасно різко підвищується виживання.

Узагальнене уявлення про геном як ансамблі облігатних і факультативних елементів розширює і поняття "горизонтальний перенос", що включає не тільки інтеграцію чужорідних генів в хромосоми ядра. Про горизонтальному перенесенні можна говорити вже і у випадках створення стійкої асоціації двох генетичних систем, у якій з'являються нові ознаки і властивості.

Функціональна факультативність геному

Спадкові зміни виникають в результаті помилок процесів, що оперують з спадковим матеріалом будь-яких живих організмів, - реплікації, транскрипції, трансляції, а також репарації та рекомбінації.

Факультативність реплікації означає можливість відносно автономної гіпер-або гіпореплікаціі окремих ділянок ДНК, незалежно від планової закономірною реплікації всієї геномної ДНК в ході поділу клітини. Такими властивостями володіють ділянки хромосом з повторами, блоки гетерохроматину. При цьому автономна реплікація призводить до множення числа окремих сегментів і має, як правило, адаптивний характер.

Факультативність транскрипції полягає в можливості появи різних мРНК з однією і тією ж матриці за рахунок присутності в даному локусі більше одного промотору та альтернативного сплайсингу. Ця ситуація нормальна для безлічі генів.

Неоднозначність (за термінологією С.Г.Інге-Вечтомова) трансляції проявляється в різних варіантах впізнання одного і того ж кодону, наприклад стоп-кодону або кодону для включення певної амінокислоти в білок, що синтезується. Така трансляція залежить від фізіологічних умов у клітині і від генотипу.

Відповідно до теорії мутаційного процесу М. Є. Лобашева, виникнення мутації пов'язано зі здатністю клітини та її спадкових структур до репарації ушкоджень. Звідси випливає, що появі мутації передує стан, коли пошкодження або повністю оборотно, або може реалізуватися у вигляді мутації, що розуміється як "нетотожні репарація". До початку 70-х років з'ясувалося, що стабільність ДНК у клітині не іманентна властивість самих молекул ДНК, - воно підтримується особливої ​​ферментативною системою.

З середини 70-х років стала прояснюватися еволюційна роль "помилок рекомбінації" як індуктора спадкових змін, причому набагато більш потужного, ніж помилки реплікації ДНК.

На молекулярному рівні розрізняють три варіанти рекомбінації: загальну, сайт-специфічну і реплікативну. Для першої, загальної, регулярної рекомбінації (кросинговер) репарація включають розриви в ланцюзі ДНК, їх зшивання і відновлення. Для неї необхідні довгі райони гомології ДНК. Сайт-специфічна рекомбінація задовольняється короткими, в кілька підстав, ділянками гомології, які, приміром, мають ДНК фага l та хромосома бактерії. Аналогічно відбувається включення в геном мобільних елементів і соматична локальна рекомбінація в онтогенезі між іммуноглобуліновий генами, що створює їх вражаюче розмаїття.

Помилки загальної рекомбінації можна розглядати як закономірні наслідки лінійно протяжної структури генів. Виникає дилема, про яку писав Хесин: можна вважати, що митотические рекомбінації - особливий тип мутагенезу або, навпаки, деякі види мутацій (хромосомні аберації) - результат "помилок" мітотичних рекомбінацій.

Якщо переміщення мобільних елементів або рекомбінація ділянок запрограмовані в онтогенезі, класифікувати такі спадкові зміни важко. Трансформацію статі у дріжджів довгий час вважали мутаційним подією, але виявилося, що на певній стадії розвитку аскоспор вона відбувається з високою вірогідністю в результаті сайт-специфічної рекомбінації.

Варіації геному у відповідь на виклик середовища

У теорії еволюції і в генетиці завжди обговорювалося питання про зв'язок спадкових змін з напрямком відбору. Згідно дарвінівський і постдарвіновскім уявленням, спадкові зміни відбуваються в різних напрямках і лише потім підхоплюються добором. Особливо наочним і переконливим виявився метод реплік, винайдений на початку 50-х років подружжям Ледербергом. За допомогою оксамитової матерії вони отримували точні копії - відбитки - досвідченого посіву бактерій на чашки Петрі. Потім на одній з чашок вели відбір на стійкість до фагу і зіставляли топографію точок появи стійких бактерій на чашці з фагом і в контролі. Розташування стійких до фагу колоній було однаковим у двох чашках-репліках. Такий же результат отримали і при аналізі позитивних мутацій у бактерій, дефектних по якому-небудь метаболіту.

Відкриття в області рухомий генетики показали, що клітина як цілісна система в ході відбору може адаптивно перебудовувати свій геном. Вона здатна відповісти на виклик середовища активним генетичним пошуком, а не пасивно чекати випадкового виникнення мутації, що дозволяє вижити. А в дослідах подружжя Ледербергом у клітин не було вибору: або смерть, або адаптивна мутація.

У тих же випадках, коли фактор відбору не летальний, можливі поступові перебудови генома, прямо або побічно пов'язані з умовами відбору. Це з'ясувалося з відкриттям в кінці 70-х років поступового множення числа локусів, в яких розташовані гени стійкості до селективного агенту, блокуючого поділ клітин. Відомо, що метотрексат - інгібітор клітинного ділення - широко застосовується в медицині для зупинки зростання злоякісних клітин. Цей клітинний отрута інактивує фермент дигідрофолатредуктази (ДГФР), роботу якого контролює певний ген.

Розглянемо, як в ході подібного відбору змінювався геном у одноклітинного паразитичного жгутиконосца лейшманії Leishmania tropica, що викликає шкірні виразки і передається людині москітами від гризунів. До початку дослідів ген стійкості був в геномі лейшманії в одній дозі. У результаті відбору число генів стійкості збільшилося (ампліфікувати). Що ж спостерігали при різних варіантах добору?

Стійкість клітин лейшманії до отрути-цитостатики (метотрексат) зростала східчасто, і пропорційно збільшувалася частка ампліфікованих сегментів з геном стійкості. Розмножувався, не тільки селектіруемий ген, а й великі прилеглі до нього ділянки ДНК, названі амплікон. Коли стійкість до отрути у лейшманії підвищилася в 1000 разів, ампліфіковані позахромосомних сегменти склали до 10% ДНК у клітці! Можна сказати, що з одного облигатного гена утворився пул факультативних елементів. Відбулася адаптивна перебудова генома в ході відбору.

Якщо відбір тривав досить довго, частина амплікон вбудовувалася у вихідну хромосому, і після припинення відбору стійко зберігалася підвищена стійкість.

З видаленням з середовища селективного агента число амплікон з геном стійкості поступово знижувалося в ряду поколінь і одночасно падала стійкість. Тим самим був змодельований феномен тривалих модифікацій, коли масові зміни, викликані середовищем, успадковуються, але поступово згасають у низці поколінь.

При повторному відборі частина збережених в цитоплазмі амплікон забезпечувала швидку їх автономну реплікацію, і стійкість виникала набагато швидше, ніж на початку дослідів. Іншими словами, формувалася своєрідна клітинна амплікон пам'ять про минуле відборі на основі збережених амплікон.

Якщо зіставити метод реплік і хід відбору на стійкість у випадку ампліфікації, то виявляється, що саме контакт з селективним чинником викликав перетворення геному, характер якого корелював з інтенсивністю і напрямком відбору.

Дискусія про адаптивних мутаціях

У 1988 р. в журналі "Nature" з'явилася стаття Дж.Кейрнса з співавторами про виникнення у бактерії E.coli отборзавісімих "спрямованих мутацій". Брали бактерії, що несуть мутації в гені lacZ лактозного оперона, нездатні розщеплювати дисахарид лактозу. Але ці мутанти могли ділитися на середовищі з глюкозою, звідки їх через один-два дні, переносили на селективну середовище з лактозою. Відібравши lac + реверсів, які, як і очікувалося, виникли ще в ході "глюкозних" поділів, нерастущіе клітини залишали в умовах вуглеводного голодування. Спочатку мутанти відмирали. Але через тиждень і більше спостерігався нове зростання за рахунок спалаху реверсі саме в гені lacZ. Як ніби клітини в умовах жорсткого стресу, не ділячись (!), Вели генетичний пошук і адаптивно змінювали свій геном [10].

У наступних роботах Б. Холла використовувалися бактерії, мутантні по гену утилізації триптофану (trp). Їх поміщали на середу, позбавлену триптофану, і оцінювали частоту реверсі до норми, яка підвищувалася саме при триптофанового голодуванні. Але причиною цього феномена були не самі умови голодування, бо на середовищі з голодуванням по цистеїну частота реверсу до trp + не відрізнялася від норми.

У наступній серії дослідів Хол взяв уже подвійних недостатніх по триптофану мутантів, що несуть одночасно мутації в генах trpA і trpВ, і знову помістив бактерії на середу, позбавлену триптофану. Вижити могли лише особини, у яких реверсії виникали одночасно в двох ТРИПТОФАНОВИХ генах. Частота появи таких особин була в 100 млн разів вище, ніж очікувалося при простому вероятностном збігу мутацій у двох генах. Хол вважав за краще називати цей феномен "адаптивні мутації" і згодом показав, що вони виникають і у дріжджів, тобто у евкаріот [11].

Публікації Кейрнса і Холу негайно викликали бурхливу дискусію. Підсумком її першого раунду став виступ одного з провідних дослідників в області рухомий генетики Дж.Шапіро. Він коротко обговорив дві основні ідеї. По-перше, клітина містить біохімічні комплекси, або системи "природною генетичної інженерії", які здатні реконструювати геном. Активність цих комплексів, як і будь-яка клітинна функція, може різко змінюватися в залежності від фізіології клітини. По-друге, частота виникнення спадкових змін завжди оцінюється не для однієї клітини, а для клітинної популяції, в якій клітини можуть обмінюватися між собою спадковою інформацією. Крім того, міжклітинний горизонтальний перенос за допомогою вірусів або передачі сегментів ДНК посилюється в стресових умовах. Як вважає Шапіро, ці два механізми пояснюють феномен адаптивних мутацій і повертають його в русло звичайної молекулярної генетики [11]. Які ж, на його погляд, підсумки дискусії? "Ми знайшли там генетичного інженера з вражаючим набором хитромудрих молекулярних інструментів для реорганізації ДНК-молекули" [12].

За останні десятиріччя на рівні клітини відкрита така непередбачена сфера складності та координації, яка більш сумісна з комп'ютерною технологією, ніж з механізованим підходом, що домінував під час створення неодарвіністской сучасного синтезу. Слідом за Шапіро, можна назвати принаймні чотири групи відкриттів, які змінили розуміння клітинних біологічних процесів.

Організація геному. У евкаріот генетичні локуси влаштовані за модульним принципом, представляючи собою конструкції з регуляторних і кодують модулів, загальних для всього геному. Це забезпечує швидку зборку нових конструкцій і регуляцію генних ансамблів. Локуси організовані в ієрархічні мережі, на чолі з головним геном-перемикачем (як у випадку регуляції підлоги або розвитку ока). Причому багато хто з супідрядних генів інтегровані в різні мережі: вони функціонують у різні періоди розвитку і впливають на безліч ознак фенотипу.

Репаративні можливості клітини. Клітини зовсім не пасивні жертви випадкових фізико-хімічних впливів, оскільки в них є система репарацій на рівні реплікації, транскрипції і трансляції.

Мобільні генетичні елементи і природна генетична інженерія. Робота імунної системи побудована на безперервному конструюванні нових варіантів молекул імуноглобулінів на основі дії природних біотехнологічних систем (ферменти: нуклеази, лігази, зворотні транскриптази, полімерази і т.д.). Ці ж системи використовують мобільні елементи для створення нових успадкованих структур. При цьому генетичні зміни можуть бути масовими і впорядкованими. Реорганізація геному - один з основних біологічних процесів. Природні генно-інженерні системи регулюються системами зі зворотним зв'язком. До пори до часу вони перебувають у неактивному стані, але в ключові періоди або під час стресу приводяться в дію.

Клітинний інформаційний процесинг. Можливо, одне з найважливіших відкриттів у галузі біології клітини полягає в тому, що клітина безперервно збирає і аналізує інформацію про свій внутрішній стан і зовнішньому середовищі, приймаючи рішення про зростання, рух та диференціації. Особливо показовими є механізми контролю клітинного ділення, що лежать в основі росту і розвитку. Процес мітозу універсальний у вищих організмів і включає три послідовні етапи: підготовка до поділу, реплікація хромосом і завершення поділу клітини. Аналіз генного контролю цих фаз привів до відкриття особливих точок, у яких клітина перевіряє, чи відбулася репарація порушень у структурі ДНК на попередньому етапі чи ні. Якщо помилки не будуть виправлені, наступний етап не розпочнеться. Коли ж ліквідувати пошкодження не можна, запускається генетично запрограмована система клітинної смерті, або апоптозу.

В умовах виклику середовища клітина діє цілеспрямовано, подібно комп'ютера, коли при його запуску крок за кроком перевіряється нормальна робота основних програм, і у випадку несправності робота комп'ютера зупиняється. У цілому стає очевидною, вже на рівні клітини, правота нетрадиційного французького зоолога-еволюціоніста Поля Грассе: "Жити - значить реагувати, а аж ніяк не бути жертвою".

Шляхи виникнення природних спадкових змін у системі "середовище-факультативні елементи-облігатні елементи. Факультативні елементи першими сприймають немутагенние фактори середовища, а виникаючі потім варіації викликають мутації. На поведінку факультативних елементів впливають і облігатні елементи.

Неканонічні спадкові зміни, що виникають під впливом відбору до цитостатиків і призводять до ампліфікації генів.

Придбані ознаки успадковуються

"Історія біології не знає більш виразного прикладу багатовікового обговорення проблеми, що дискусія про спадкування або про ненаследованіі набутих ознак", - ці слова стоять на початку книги відомого цитолога та історика біології Л. Я. Бляхер [12]. В історії, мабуть, можна згадати аналогічну ситуацію зі спробами перетворення хімічних елементів. Алхіміки вірили в цю можливість, але в хімії утвердився постулат про незмінність хімічних елементів. Однак нині в ядерній фізиці та хімії дослідження з перетворення елементів і аналіз їх еволюції - справа звичайна. Хто ж мав рацію у багатовіковій суперечці? Можна сказати, що на рівні хімічних молекулярних взаємодій не відбувається перетворення елементів, а на ядерному рівні воно - правило.

Напрошується аналогія подібна і з питанням про спадкування ознак, які з'явилися в ході онтогенезу. Якщо знову виникаючі спадкові зміни зводити лише до мутацій генів і хромосом, тоді питання можна вважати закритим. Але якщо виходити з узагальненої концепції геному, включаючи подання про динамічну спадковості [2, 3], проблема потребує перегляду. Крім мутаційної існує варіаційна і Епігенетична форми спадкової мінливості, пов'язані не зі змінами в тексті ДНК, а в стані гена. Такі ефекти оборотні і успадкованими.

Цікаво, що вийшов в кінці 1991 р. Міжнародний щорічник з генетики відкривається статтею О. Ландман "Спадкування набутих ознак" [13]. Автор підсумовує вже давно отримані в генетиці факти, показуючи, що "успадкування набутих ознак цілком сумісне із сучасною концепцією молекулярної генетики". Ландман детально розглядає близько десяти експериментальних систем, в яких встановлено успадкування набутих ознак. Чотири різних механізму здатні привести до нього: зміна структур клітинної оболонки, або кортекса, вивчене Т. Соннеборном у інфузорій; ДНК-модифікації, тобто клонально передаються зміни в характері локального метилювання ДНК (сюди входить феномен імпринтингу); епігенетичні зміни без будь-яких модифікацій ДНК; індукована втрата чи придбання факультативних елементів.

Стаття Ландман робить нас як би свідками критичного періоду зміни постулату в генетиці, що здавався непохитної як скеля. Автор спокійно, без ажіотажу і нових карколомних фактів, об'єднує старі і нові дані в систему, дає їм ясне сучасне тлумачення. Можна сформулювати загальний принцип: успадкування набутих ознак можливо в тих випадках, коли якийсь фенотипический ознака залежить від числа або топографії факультативних елементів.

Наведу два повчальних прикладу на дрозофілі: перший пов'язаний з поведінкою вірусу сигма, другий - мобільних елементів, відповідальних за гібридну стерильність самок і сверхмутабільность.

Вивчення взаємодії вірусу сигма з геномом дрозофіли почалося більше 60 років тому. Спочатку в 1937 р. французький генетик Ф. Лерітьє виявив різкі спадкові відмінності у різних ліній мух за ступенем чутливості до вуглекислого газу (СО2). Ознака успадковувався химерним чином: через цитоплазму, але не тільки по материнській лінії, а іноді і через самців. Чутливість можна було передати і шляхом ін'єкції гемолімфи, причому різним видам дрозофіл. У цих випадках ознака передавався не стабільно, але в результаті відбору спадкування ставало стійким.

Неканонічні спадкові зміни

Неменделевское успадкування ознаки у дрозофіли, який залежить від популяції факультативних елементів геному. Ознака чутливості до СО2 викликаний присутністю в цитоплазмі мухи рабдовірусів сигма. У результаті температурного шоку на ранній стадії розвитку дрозофіли блокується розмноження вірусу, і виросли особини набувають стійкості до нього.

Чутливість до СО2 виявилася пов'язана зі стійким розмноженням в статевих і соматичних клітинах РНК-яке містить пулевідного рабдовірусів сигма, схожого по ряду властивостей з вірусом сказу у ссавців. Оогонії (клітини, з яких під час мейозу і дозрівання утворюються яйцеклітини) у самок стабілізованої лінії зазвичай містять 10-40 вірусних частинок, а ооцити (зрілі яйцеклітини) - 1-10 млн. Вірус сигма - типовий факультативний елемент. Мутації в його геномі призводять до складних форм поведінки системи. Знайдені випадки вірусоносійства, при яких дрозофіли залишаються стійкі до СО2, але разом з тим Імунозахищені до зараження іншими штамами вірусу. Ситуація цілком порівнянна з поведінкою системи фаг-бактерія, що відразу помітили Ф. Жакоб і Е. Вольман.

Взаємовідносини геному дрозофіли і розмножується в її цитоплазмі вірусу підкоряються правилам внутрішньоклітинної генетики. Впливу в ході онтогенезу можуть викликати зсув в числі і міжклітинної топографії частинок і як результат - змінити ступінь чутливості до вуглекислого газу. Так, підвищена температура блокує реплікацію вірусних частинок. Якщо самок і самців у період гаметогенезу містити кілька днів при температурі 30 ° С, потомство від таких мух буде вільне від вірусу і стійке до СО2. Значить, набутий в ході індивідуального розвитку ознака успадковується в ряду поколінь.

Ситуація з вірусом сигма не одинична. Французькі генетики вивчали фактори стерильності самок, пов'язані з поведінкою мобільних елементів типу "I". Успадкування цієї ознаки визначається складними ядерно-цитоплазматичними взаємодіями. Якщо у батьківських хромосомах локалізовані активні I-елементи, то на тлі R-цитоплазми вони починають активуватися, зазнають множинні транспозиції і в результаті викликають різкі порушення онтогенезу в потомстві самок з чутливою цитоплазмою. Такі самки відкладають яйця, але частина ембріонів гине на ранній стадії дроблення - ще до утворення бластомери. Лінії, виділені з природних популяцій, відрізняються за силою дії I-факторів і ступеня реактивності (або чутливості) цитоплазми. Ці показники можна змінити зовнішнім впливом. Вік вихідних батьківських самок, а також вплив в ранній період розвитку підвищеної температури відображаються не тільки на плодючості виросли самок, але і на плодючості їх потомства. Викликані умовами середовища зміни реактивності цитоплазми підтримуються протягом багатьох клітинних поколінь. "Найкраще, що ці зміни реактивності цитоплазми під впливом негенетических факторів успадковуються: спостерігається спадкування" набутих "ознак", - зазначав Р. Б. Хесин [5].

Успадкування через цитоплазму: від бабусь до онуків

У теорії розвитку та феногенетіке ХХ ст. важливе місце займають глибокі і абсолютно оригінальні дослідження ембріолога П. Г. Свєтлова (1892-1972). Зупинимося на розробленій ним теорії квантованности онтогенезу (наявність критичних періодів у розвитку, коли відбувається детермінація морфогенетичних процесів і одночасно підвищується чутливість клітин до ушкоджувальних агентів) і на розвиненою в зв'язку з цим ідеї, що вивчення онтогенезу треба вести не з моменту запліднення і утворення зиготи, а ще з гаметогенезу, що включає оогенез у самок попереднього покоління - проембріонального періоду.

На підставі цих постулатів Свєтлов провів у 60-і роки прості і ясні досліди на дрозофілі і мишах. Він переконливо показав, що можливо стійке неменделевское успадкування властивостей цитоплазми, а модифікації у вираженості мутантних ознак, що виникли після короткочасного зовнішнього впливу в критичний період розвитку організму, теж передаються в ряду поколінь [14].

В одній із серій дослідів він порівнював ступінь прояву мутантного ознаки в потомстві двох ліній мишей, гетерозиготних по рецесивною мутації мікрофтальмії (зменшений розмір сітківки і очей з моменту народження): нормальних за фенотипом гетерозигот, у яких мутантними були матері, і тих, у яких мутантних батьки. Потомство від мутантної бабусі відрізнялося більш сильним проявом ознаки. Свєтлов пояснював цей дивний факт тим, що жіночі гамети гетерозиготних самок перебували ще в тілі їх мутантних матерів і відчували з їхнього боку вплив, що посилило мутації в онуків.

По суті Свєтлов встановив явище, згодом отримало назву "геномний імпринтинг" - розходження у вираженості гена залежно від того, прийшов він до потомства від матері або від батька. Роботи ці, на жаль, залишилися недооціненими.

Цікаво, що ще в кінці 80-х років імпрінтінг, як дотепно зауважив К. Сапієнца, дослідник цього феномена, було "прийнято вважати генетичним курйозом, що зачіпають лише дуже небагато ознаки. Мене неодноразово запитували, чому я просто витрачаю свій час на таке незначне явище "[15]. Більшість дослідників беззастережно приймали одне з головних положень Менделя - "зачаток", або ген, не може міняти свої потенції в залежності від статі, на чому грунтується повсюдно спостерігається розщеплення 3:1. Але Сапієнца абсолютно справедливо зауважив, що при аналізі менделевської розщеплення зазвичай розглядають тільки наявність або відсутність ознаки, а якщо він кількісний, то кордон є-ні встановлюють за прийнятим порогу. Якщо ж виявити, як і ступінь прояву ознаки, виявиться вплив геномного імпринтингу.

Саме таким був підхід Свєтлова, коли він ретельно вивчав, як змінюється вираженість ознак у потомства в залежності від материнського генотипу. Як ембріолог він бачив спільність спадкових і особливих неспадкових змін - фенокопій (імітують мутації), якщо порушується один і той же морфогенетический апарат, відповідальний за здійснення даної ознаки.

Вперше на різних видах тварин (дрозофілах і мишах) Свєтлов показав можливість наслідування через мейоз зміненого характеру прояву мутантного гена. Недарма ці роботи Хесин у своїй зведенні назвав чудовими [16].

Короткочасне (20 хв) прогрівання тіла восьмиденного мишеняти самки викликало стійкі зміни ооцитів, ослаблявшие дію шкідливої ​​мутації в онуків! "Передача поліпшення розвитку очей, яка спостерігається в дослідах з нагріванням, може бути пояснена лише передачею властивостей, придбаних ооцитами нагрітих самок у спадщину" [16]. Цей феномен Свєтлов пов'язував з особливостями формування та будови яйцеклітини у тварин, бо "в ооциті є як би каркас, що відображає найбільш загальні риси архітектоніки будується організму". Для профілактики порушень розвитку у людини він обгрунтував необхідність вивчення критичних періодів гаметогенезу, в яких підвищена чутливість до пошкоджень. Можливо, в патогенезі аномалій розвитку у людини етап формування гамет навіть важливіший, ніж ембріогенез.

Неканонічні спадкові зміни

Схема дослідів П. Г. Свєтлова, що демонструють передачу в ряду поколінь мишей мутації - мікрофтальмії. Одноразове 20-хвилинне дію підвищеної температури на мутантних восьмиденних мишенят тягне поліпшення розвитку очей в їхніх нащадків (F1 і F2). Ця ознака успадковується лише по материнській лінії і пов'язаний зі зміною в ооцитах.

Сьогодні цей висновок підтверджений молекулярно-генетичними дослідженнями останнього десятиліття [17]. У дрозофіли встановлені три системи материнських генів, які формують осьову і полярну гетерогенність цитоплазми і градієнти розподілу біологічно активних генних продуктів. Задовго до початку запліднення відбувається молекулярна детермінація (приречення) плану будови і початкових етапів розвитку. У формуванні ооцита велику роль відіграють генопродукти клітин материнського організму. У певному сенсі це можна порівняти з відгодовування матки у вулику групою робочих бджіл.

У людини первинні статеві клітини, з яких потім виникають яйцеклітини-гамети, починають відокремлюватися у двомісячного ембріона. У віці 2.5 місяці вони вступають в мейоз, але відразу після народження це поділ блокується. Воно відновлюється через 14-15 років з початком статевого дозрівання, коли яйцеклітини раз на місяць виходять з фолікул. Але наприкінці другого поділу мейоз знову зупиняється і його блокування знімається тільки при зустрічі зі спермием. Таким чином, жіночий мейоз починається в 2.5 місяці і закінчується лише через 20-30 і більше років, відразу після запліднення.

Зигота на стадії двох-восьми клітин має ослаблений геномний імунітет. При вивченні нестабільних но інсерційні мутацій в природних популяціях дрозофіли ми виявили, що активація мобільного елемента, супроводжувана мутаційним переходом, відбувається часто вже в перших поділках зиготи або в перших поділках первинних статевих клітин. У підсумку одне мутантні подія захоплює відразу клон первинних статевих клітин, пул гамет стає мозаїчним, і спадкові зміни в потомстві виникають пучками або кластерами, імітуючи сімейне спадкування.

Ці експерименти дуже важливі для епідеміології, коли виникає питання про ступінь впливу тієї чи іншої вірусної епідемії на генофонд потомства. Розпочаті ще на початку 60-х років піонерні дослідження С. М. Гершензона та Ю. М. Александрова привели до висновку, що ДНК-і РНК-віруси і їх нуклеїнові кислоти - потужні мутагенні агенти. Потрапляючи в клітину, вони провокують геномний стрес, активують систему мобільних елементів господаря і викликають нестабільні но інсерційні мутації в групі обраних локусів, специфічних для кожного агента.

Тепер уявімо, що ми хочемо оцінити вплив на спадкову мінливість у людини будь-якої вірусної пандемії (наприклад, грипу). При цьому можна очікувати, що частота різного роду аномалій розвитку буде підвищена в першому поколінні у потомства, народженого на рік або через рік після епідемії. Оцінку ж частоти мутаційних і варіаційних змін у статевих клітинах (гаметах) слід проводити під внучатом поколінні.

Неканонічні спадкові зміни

Схема оогенезу в трьох послідовних жіночих поколіннях. P - бабуся, F1 - мама, F2 - дочка.

Загальний висновок полягає в тому, що спадкова мінливість в онуків може дуже залежати від умов, в яких відбувався оогенез у їхніх бабусь! Уявімо жінку, якій у 2000 р. було близько 25 років, а матір'ю вона стане в третьому тисячолітті. Запліднена яйцеклітина, з якої вона сама з'явилася на світ, почала формуватися в той час, коли її мати була ще двомісячним ембріоном, тобто десь у середині 50-х років ХХ ст. І якщо в ці роки лютував грип, то його наслідки повинні позначитися через покоління. Для оцінки наслідків глобальної епідемії на генофонд людства треба порівнювати внучатою потомство трьох груп, або когорт, - тих, у яких бабусі були вагітні в рік, коли вибухнула епідемія, з тими, чиї бабусі завагітніли до і після пандемії (це дві контрольні когорти). На жаль, такі важливі для охорони здоров'я епідеміолого-генетичні відомості поки відсутні.

Про примар і боротьбі з чудовиськами

Пройшло 30 років після дослідів Свєтлова, нескладних по техніці, але оригінальних за задумом і глибоких за своїм висновкам. У середині 90-х років відбувся психологічний перелом: різко зросла кількість робіт в області спадкової мінливості, у назві яких стоїть слово "епігенетичні".

Різного роду епімутаціі (спадкові варіації в характері генної активності, не пов'язані зі змінами в тексті ДНК і що носять масовий, спрямований і оборотний характер) перейшли з розряду маргінальних в активно досліджуване явище. Стало очевидно, що живі системи мають оперативної "пам'яттю", що знаходиться в безперервному контакті з середовищем і використовує кошти природного ембріогенетіческой інженерії для швидкого успадкованого переходу з одного режиму функціонування в іншій. Живі системи не пасивні жертви природного відбору, а всі еволюційні форми життя зовсім не "помарка за короткий виморочний день", як писав Мандельштам у своєму відомому шедеврі "Ламарк".

Виявилося, що епімутаціі часто-густо можна виявити у звичайних "класичних генів", треба тільки підібрати придатну експериментальну систему. Ще в 1906 р., за п'ять років до того як Морган став працювати з дрозофіли, французький біолог-еволюціоніст Л. Кено відкрив у мишей мутацій Менделя "жовте тіло". Вона володіла дивовижною особливістю - домінантністю по відношенню до нормального забарвленні (сіро-коричневою) і летальністю у гомозигот. При схрещуванні гетерозиготних жовтих за кольором мишей один з одним через загибель гомозигот нормальні миші з'являлися в потомстві у співвідношенні не 3:1, а 2:1. Згодом виявилося, що так поводяться багато домінантні мутації у різних організмів.

З'ясувалося, що в області транскрипції одного з алелів гена "жовте тіло" впроваджений мобільний елемент, що нагадує за структурою та властивостями ретровірус. У результаті такої вставки ген став підпорядковуватися знаків пунктуації свого непроханого гостя і непередбачувано активуватися "на непотрібне час і в непотрібному місці". У мутантів з інсерцій (вставками) виникають множинні дефекти (жовте забарвлення хутра, ожиріння, діабет та ін), а поведінка стає нестабільним. Непотрібна активність вставки в тій чи іншій мірі гаситься в різних тканинах за рахунок оборотної модифікації або метилювання основ ДНК. На рівні фенотипу прояв домінантного алеля сильно коливається і носить мозаїчний характер. Австралійські генетики виявили, що у відібраних з гомогенної лінії жовтих самок у потомстві було більше жовтих мишей, а фенотип батька-носія мутації - не впливає на зміну забарвлення у потомства. Самки виявилися більш інерційні, і вони, відібрані за фенотипом модифікації ДНК, або відбитки-імпринти краще зберігалися в оогенезі. Інші генетики знайшли і чисто материнське вплив, аналогічне виявленому в дослідах Свєтлова. Залежно від дієти вагітних самок вираженість мутації "жовте тіло" певним чином змінювалися в генотипі гетерозигот. Таке змінений стан ненепохитно, але успадковувалося у потомстві. Ступінь прояву ознаки корелювала зі ступенем метилювання основ ДНК у вставці.

Торкаючись цих та інших подібних дослідів, науковий оглядач журналу "Sсience" назвав свою замітку "Чи був все ж Ламарк трохи прав?" Така тактовність зрозуміла. По-перше, обережність виправдана, коли доводиться ревізувати те, що десятиліттями вважалося міцно встановленим. По-друге, успадкування набутих ознак пов'язується не тільки з ім'ям Ламарка, але і з привидом Лисенка (про останній згадує автор замітки). Дійсно, вільно чи мимоволі тінь "мічурінської біології" спливає, коли обговорюється проблема успадкування набутих ознак. І не тільки в Росії, де ще так жива пам'ять про трагедію в біології, пов'язаної з пануванням Лисенко.

Сьогодні багато загальноприйняті положення класичної генетики, які відкидав Лисенко, стали мимоволі, в піку йому, вважатися майже абсолютною істиною. І тим не менше, якщо той чи інший серйозний дослідник виявляв що-небудь зовні співзвучне поглядам Лисенко, він побоювався це оприлюднити, боячись остракізму з боку наукового співтовариства. І навіть якщо робота публікувалася, вона супроводжувалася багатьма застереженнями і залишалася на периферії науки.

Познайомившись у 60-ті роки до статей А. А. Любищева (найближчого друга Свєтлова), я намагався зрозуміти, чому він, будучи одним з найактивніших самвидавних критиків лисенкоізма з 1953 по 1965 р. - його статті та листи були зібрані в книзі "На захист науки" (Л., 1990), - тим не менш не вважав питання про спадкування придбаних ознак остаточно вирішеним. Цей усіма визнаний знавець еволюційної біології вказував на незавершеність теорії спадковості, на схожість спадкової та модифікаційної мінливості. Тепер ми знаємо, як важко буває в багатьох випадках провести між ними межу. Любіщев наводив факти масових, швидких і упорядкованих перетворень фенотипу в еволюції, явно непояснених з позицій моргановского мутацій і дарвінівського відбору. Піднявши свій голос проти монополії Лисенко, Любіщев виступав на захист науки як такої, проти утвердився в ній аракчеєвської режиму. У сфері ж самої науки він слідував древньому принципом: "Платон мені друг, але істина дорожче". І тому не приховував своїх незгод з багатьма генетиками і дарвіністом. Так, Любіщев виявився прав, древо життя куди складніше самовпевнених міркувань.

Література

1. Баранов В.С. та ін Геном людини і гени схильності. СПб., 2000.

2. Голубовський М.Д., Чураев Р.Н. Динамічна спадковість / / Природа. 1997. № 4. С.16-25.

3. Чураев Р.Н. Про одну неканоніческкой теорії спадковості / / Сучасна. концепції еволюції. генетики. Новосибірськ, 2000. С.22-32.

4. Інге-Вечтомов С.Г. Пріони дріжджів і центральна догма молекулярної біології / / Вісн. РАН. 2000. 70 (4). С.299-306.

5. Chernov Yu.O. / / Mutation Res. 2001. V.488. P.39-64.

6. Хесин Р.Б. Мінливість геномів. М., 1984.

7. Голубовський М.Д. Століття генетики: еволюція ідей і понять. СПб., 2001.

8. Голубовський М.Д. / / Успіхи збрешемо. біології. 1985. Т.100. Вип.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 успадкування набутих ознак. М., 1971.

13. Landman O. / / Ann. Rev.Genet. 1991. V.25. P.1-20.

14. Соколова К.Б. Розвиток феногенетікі в першій половині ХХ століття. М., 1998.

15. Сапієнца К. / / У світі науки. 1990. ? 12. С.14-20.

16. Свєтлов П. Г. / / Генетика. 1966. ? 5. С.66-82.

17. Корочкін Л. І. Введення в генетику розвитку. М., 1999.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Доповідь
93кб. | скачати


Схожі роботи:
Чоловічі неканонічні імена XVII століття г Тобольська
Спадкові хвороби
Спадкові захворювання
Генетичні спадкові захворювання
Спадкові порушення метаболізму
Спадкові гемолітичні анемії
Спадкові фактори в патології мови
Спадкові хромосомні стоматологічні захворювання
Врожд нние спадкові захворювання нирок
© Усі права захищені
написати до нас