Переход от классической к "подвижной" генетике на рубеже 70–80-х годов

Переход от классической к "подвижной" генетике на рубеже 70-80-х годов

1. Количество ДНК в эволюции видов или С-парадокс

В рамках молекулярной и эволюционной генетики уже к началу 70-х годов были накоплены данные, которые пошатнули тезис, что ДНК хромосом ядра -- стабильный и надежный хранитель наследственной информации, прямо отражающий эволюционное положение вида. Уже в 60-е годы выяснились два важных факта: количество ДНК в геноме близких видов может отличаться в несколько раз -- так называемый С-парадокс (С -- количество ДНК в гаплоидном ядре); состав ДНК гетерогенен, он включает фракции, которые заведомо не несут никакой информационной функции, но могут составлять до 80--90% генома.

У разных видов лютика количество ДНК варьирует в 5 раз, у видов дрозофил -- в 2,5 раза. Из табл. 1 видно, что близкие виды злаков, такие как кукуруза и сорго, отличаются по количеству ДНК в 3 раза. А вся ДНК генома риса может уместиться в одной из 42 хромосом мягкой пшеницы! (Shields, 1993). Если в среднем у млекопитающих величина С составляет 3 пг на ядро, то у двоякодышащей рыбы протеус С равно около 50 пг, а хвостатые амфибии -- чемпионы, у них С равно 84 пг.

С-парадокс можно рассматривать в трех аспектах. Во-первых, отсутствие корреляции между сложностью организации и величиной генома, во-вторых, в пределах групп родственных животных и одного эволюционного ранга наблюдаются сильные различия в величине геномов, и в третьих, эукариотические организмы, даже дрозофила с относительно маленьким геномом, содержат ДНК гораздо больше, чем ожидается при данном числе структурных генов (Рэфф, Кофмен, 1986). Парадокс нашел частичное разрешение при открытии других неожиданностей в молекулярной организации хромосом эукариот.

У эукариот в составе ДНК хромосом были обнаружены высокоповторяющиеся ДНК, которые расположены блоками и повторены сотни тысяч или миллионы раз, причем в большинстве случаев эти многократные повторы состоят из коротких ничего не кодирующих последовательностей. В определенной степени количество ДНК все же соответствует сложности организмов. У вирусов геном варьирует в пределах 1,3-20х10³, у бактерий 9х10⁵-10⁶ п. н. В эволюции позвоночных проходил, по выражению Сусуми Оно, великий эксперимент с наращиванием количества ДНК: от оболочника и ланцетника, имеющих размер генома 6 и 17% ДНК от уровня плацентарных млекопитающих.

У рыб наблюдается чрезвычайное разнообразие в размере генома в пределах классов и родов. "Кто бы мог подумать, -- пишет Дж. Уотсон, -- что у некоторых рыб и земноводных обнаружится в 25 раз больше ДНК, чем у любого из видов млекопитающих” (Уотсон, 1978, с. 507). Подобное удивление выражает уже не молекулярный генетик, а специалист по структуре хромосом: "О том, что большая часть ДНК не кодирует белков, еще несколько лет назад и не подозревали" (Босток, Самнер, 1981, с. 23).

Еще большие неожиданности в строении ДНК и генов подстерегали молекулярных генетиков и эволюционистов в конце 70-х годов, когда были разработаны новые методы анализа нуклеиновых кислот и возникла генная инженерия.

Таблица 1. Различия в числе хромосом, длине генетических карт и молекулярном размере генома у злаков (по Shields R., 1993)

2. Методическая революция в молекулярной генетике

Г.П. Георгиев (1989) называет возникшие в 70-х годах новые методы анализа нуклеиновых кислот методической революцией. Расшифровка первичной структуры ДНК, т. е. последовательности азотистых оснований аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т) и цитозина (Ц), чередующихся в данной молекуле ДНК тысячи и миллионы раз, считалась еще в начале 60-х годов трудно осуществимой задачей. Э. Чаргафф -- патриарх в области изучения структуры ДНК -- писал в 1968 г.: "'Детальное определение нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК находится вне наших настоящих возможностей и маловероятно, что окажется доступным в ближайшее время. Мы можем поэтому оставить задачу чтения полной нуклеотидной последовательности в ДНКXXI веку..." (цит. по: Баев, 1981).

Однако уже в 1977 г. благодаря работам F. Sanger и W. Gilbert расшифровка первичной структуры ДНК стала доступной даже для средней биохимической лаборатории, а в середине 80-х годов появились автоматические анализаторы структуры ДНК. Sanger, получивший Нобелевскую премию в 1958 г. за расшифровку структуры инсулина, стал в 1980 г. вторично нобелевским лауреатом за разработку новых методов анализа нуклеиновых кислот. Эти и другие методы анализа первичной структуры ДНК открыли совершенно новые возможности для изучения структуры генетического материала и его эволюционных изменений. Вот вкратце эти революционные методы:

1. Гель-электрофорез нуклеиновых кислот. В геле фрагменты молекул ДНК и РНК движутся тем быстрее, чем они меньше. Подбирая условия, можно разделять олигонуклеотиды, отличающиеся по длине всего на один нуклеотид.

2. Расщепление ДНК рестриктазами. В 1970 г. В. Арбер из Швейцарии и X. Смит из США открыли ферменты, с помощью которых бактерии расщепляют попавшую в них чужеродную ДНК -- рестриктазы. Рестриктазы обычно узнают короткие последовательности -- палиндромы длиной 4-6 оснований. Обрабатывая нить ДНК разными рестриктазами, "нарезают" ее на отдельные фрагменты, которые уже можно анализировать и сравнивать, идентичны ли они у особей разных генотипов.

3. Синтез ДНК по матрице РНК. В 1972 г. Говард Темин и Дэвид Балтимор (США) открыли обратную транскриптазу, или ревертазу, фермент, осуществляющий синтез ДНК по матрице РНК. С помощью ревертазы, выделив из клетки или ткани определенную РНК, можно синтезировать ее ДНК -- копию, которая должна соответствовать структуре данного гена.

4. Молекулярное клонирование или генная инженерия. Метод позволяет встраивать любой отрезок ДНК в бактериальную плазмиду и получать рекомбинантную ДНК. Этой плазмидой затем заражают бактерию-хозяина. Метод был разработан в 1972 микробиологом Полем Бергом (США), удостоенным Нобелевской премии.

5. Ф. Сенгер и М. Гилберт разработали методы чтения ДНК последовательностей в отдельных фрагментах, позволяющие за несколько часов "читать" последовательности длиной в тысячи нуклеотидов.

6. Полимеразная цепная реакция -- метод, разработанный в конце 80-х годов, позволяющий тысячекратно умножать определенный отрезок ДНК, взятый в минимальном количестве из любой ткани (слюна, ткани музейного экспоната и т. д.). Метод оказался применим для анализа ДНК даже музейных препаратов, например, мозга мумии 7000-летней давности; он пригоден для зафиксированных в формалине и парафине образцов.

Набор этих методов сделал возможным выделение и анализ структуры и функции любого желаемого гена.

3. К истории открытия мобильных элементов

Генезис открытия мобильных генетических элементов (МГЭ), изменивших лик современной генетики, необычайно поучителен с точки зрения судьбы научных идей и истории науки. Здесь как нельзя лучше видна справедливость глубокого замечания А.А. Любищева (1975, 2000), что прошлое науки это не кладбище гипотез, а собрание недостроенных архитектурных ансамблей, прерванных по дерзости замысла или недостатку средств. С другой стороны, история этого открытия показывает, что многие идеи и факты существуют десятилетиями, будучи на периферии доминирующей доктрины (парадигмы) и рассматриваясь в ней как курьез или исключение. А потом они становятся центральными, и становится малопонятным, почему на них не обращали внимания.

Основные факты и интеллектуальный контур (то что называется в работах по истории науки framework), приведшие к открытию мобильных элементов, были получены в разных областях генетики. Лишь в конце 70-х годов они соединились анастомозами и привели к единой концепции. Этими направлениями были:

1. Анализ свойств высокомутабильных или нестабильных генов у растений и дрозофилы (Emerson, 1914; Demerec, 1926-1940).

2. Исследования Б. МакКлинток по цитогенетике нестабильности у кукурузы и выдвинутая ею гипотеза о контролирующих подвижных элементах (McClintock, 1951-1965).

3. Обнаружение в 1968-1972 гг. нового класса инсерционных мутаций у бактерий, вызванного внедрением чужеродного сегмента ДНК длиной в несколько сотен оснований (Starlinger, 1984; Saedler, Starlinger, 1991).

4. Одновременное открытие двумя группами исследователей в СССР и в США в 1977 г. мобильных генов у дрозофилы D. melanogaster (сводка: Хесин, 1984).

5. Генетические доказательства инсерционной природы нестабильных мутаций в лабораторных линиях дрозофилы (Green М. М., 1967, 1969) и нестабильности аллелей, выделенных из природных популяций в период вспышки мутабильности (Golubovsky, Ivanov, Green, 1977; Golubovsky, 1980).

3.1 Первые попытки анализа нестабильных генов (1914-1941)

Само представление о существовании особого нестабильного состояния наследственных факторов было введено в науку Гуго де Фризом в 1901 г. Но еще до 1900 г., в 1896 г., он стал изучать нестабильность у львиного зева Antirrhinum majus, приводящую к мозаичной окраске цветка. Спустя более 90 лет был выделен мобильный элемент Тат, отвечающий за подобный мозаицизм у львиного зева Интерес к мозаицизму у кукурузы во многом связан с чувством красоты у индейцев. Им нравилась мозаичная окраска зерна, и они специально выращивали такие разновидности, тем самым, как оказалось, поддерживали линии с мобильными элементами (Федорофф, 1984).

Генетический анализ окраски мозаичных зерен, несущих ген пурпурной окраски перикарпа Р, первым провел Ролин Адаме Эмерсон. О его личности следует сказать особо. Ролин Адаме Эмерсон (1873-1947) был выдающимся исследователем. Среди его непосредственных учеников двое стали нобелевскими лауреатами: Дж. Билл, автор концепции "один ген -- один фермент" и Барбара МакКлинток, открывшая мобильные элементы.

Р.А. Эмерсон окончил университет штата Небраска в 1897 г., в 1899-1913 гг. вел исследования в сельскохозяйственном колледже и опытной станции того же штата. В перерыве, в 1910-1911 гг. работал в Гарвардском университете совместно с генетиком Эдвардсом Истом (1879-1938). С 1914 по 1942 гг. Р.А. Эмерсон руководил в Корнельском университете отделом селекции растений. Вспоминая о своем учителе Дж. Бидл писал в памятной статье (Beadle G. М., 1950): "Вклад Эмерсона в генетику бsk многосторонен. Он начал работать еще в то время, когда эта наука была слаба и вызвала много сомнений... Его статьи по генетике окраски алейрона и растений у кукурузы -- выдающийся образец экспериментального исследования, глубоко обоснованные и ясные по написанию. Они служит вдохновляющим примером для будущих поколений исследователей... Его работы по мозаицизму в окраске перикарпа привели к концепции нестабильных генов и представляют собой главу в истории генетики".

Дж. Бидл пишет о впечатляющем научном стиле и личности Р. Эмерсона: "Велики были его упорство и объективность. Он никогда не публиковал данные до тех пор, пока не получал их подтверждения не один раз, и многими путями... Столь же важными, как и его научные труды, была личность Эмерсона, которая запоминалась всеми, кто его знал. Это был физически сильный, хорошо сложенный высокий человек. Он был приветлив и сердечен в общении. Заразительный энтузиазм и дар проявлялся не только в научной, но и во всех видах деятельности. Он гордился тем, что во время полевого сезона первым приходил на участок и последним покидал его. Этот пример несомненно способствовал продуктивности всех работавших с ним студентов и исследователей... Щедрость Эмерсона была легендарна. Эта щедрость сыграла большую роль в том, что кукуруза стала самым изученным с точки зрения генетики растением... Эмерсон испытывал такое же удовольствие от хорошей работы своего ученика или коллеги, как и от своей собственной. Этот дух альтруизма в сочетании с энтузиазмом, простотой в общении и высокими способностями естественным образом сделали его интеллектуальным и духовным лидером среди всех генетиков кукурузы" (Beadle, 1950).

Отсюда, видимо, идет и чистота и изящество опытов Б. МакКлинток, ее упорство в многолетнем одиноком поиске. Р. Эмерсон провел генетический анализ мозаичного, нестабильного проявления окраски перикарпа у кукурузы, контролируемой локусом "Р" (Emerson, 1917). На светлом фоне появлялись красные пятна на зернах, вызванные, как мы теперь знаем, вырезанием мобильного элемента, ингибирующего мобильность локуса. Эмерсон пришел к выводу, что существует некий фактор мозаицизма, "разновидность временного рецессивного ингибитора, который на раннем или позднем этапе онтогенеза теряет свою способность ингибировать". Дальше следует честное заключение, что "причины такого изменения фактора лежат сейчас вне рамок мыслимого обсуждения".

К такому же неутешительному выводу пришел и другой замечательный исследователь Милислав Демерец (1895-1966). М. Демерец, югослав по происхождению, окончил в 1916 г. колледж в Загребе. Затем переехал в США и в 1921-1923 гг. работал в Корнельском университете (там же, где Р. Эмерсон), с 1923 по 1960 г. -- в Институте Карне-ги (с 1943 -- директором). М. Демерецу принадлежат классические работы в области нестабильности гена, эффекта положения у дрозофилы и генетики микроорганизмов. Но начал он с анализа соматической нестабильности у львиного зева. Изучив свойства двух нестабильных мутаций, влияющих на окраску цветка, М. Демерец догадался, что размер мозаичного пятна на растении зависит от стадии онтогенеза, на которой мутирует нестабильный ген. Один из изученных им генов мутировал равномерно на всех стадиях развития, а другой -- лишь в поздней эмбриональной. Одновременно М. Демерец нашел нестабильную мутацию "маленькие крылья" (miniature) у дрозофилы вида D. virilis.

Частота реверсий от мутанта к норме достигала у одного из аллелей 25%. Ревертанты были стабильны. М. Демерецу удалось выделить мутантные производные, которые ревертировали к норме или только в половых клетках, или только в соматических. Изучив все, что можно было "выжать" из генетических методов, М. Демерец, как он сам пишет, вынужден был заняться другими проблемами, не высказав какой-либо способной быть проверенной гипотезы. Нестабильные мутанты были утрачены и вновь найдены у этого вида лишь спустя 50 лет в лаборатории М. Б. Евгеньева. Нестабильность у D. virilis возникала в межлинейных скрещиваниях в ситуации гибридного дисгенеза и оказалась связанной с активацией и инсерциями разных подвижных генетических элементов (Евгеньев и др., 1982).

3.2 Гипотеза МакКлинток и отношение к ней

Решительный прорыв в исследовании нестабильности был сделан в исследованиях ученицы Р. Эмерсона Барбары МакКлинток (1902-1992). Она высказала гипотезу о существовании особого класса генетических элементов, способных перемещаться по геному, внедряться в разные локусы, вырезаться оттуда и таким образом регулировать темп мутирования гена и его мутационное состояние. По существу, все основные свойства мобильных элементов, найденные спустя 25 лет у разных видов и исследованные на уровне ДНК, были уже установлены Б. МакКлинток. Особенность ее работы состояла в слиянии генетического и цитогенетического подходов, позволившем непосредственно видеть в микроскопе то, что предсказывалось на основе данных генетического анализа.

В одной из линий кукурузы в мейозе Б. МакКлинток наблюдала регулярные разрывы и воссоединения хромосом в области короткого плеча хромосомы 9. На дистальном конце этой хромосомы был расположен узелок гетерохроматина, недалеко от него по направлению к центромере локализовались рецесссивные мутации генов. Обычно разрыв хромосомы происходил в определенном месте, обозначенном как Ds (Ds, Dissociation -- разрыв), между геном Ds и центромерой. Однако, Б. МакКлинток обнаружила в некоторых линиях перемещение точки разрыва, и в этом же месте возникали нестабильные мутации.

Когда из нестабильного гена фактор Ds перемещался в другой район, ген снова становился относительно стабильным. Частота разрывов, вызванных фактором Ds, резко возрастала под влиянием доминантного фактора Ас (Активатор). Таким образом, в системе Ac-Ds фактор Ds является контролирующим, а Ас -- регуляторным элементом. Контролирующий элемент Ds, если суммировать полученные Б. МакКлинток данные, имел следующие свойства: а) контроль активности гена-хозяина, так что при внедрении Ds ген может либо частично, либо полностью инактивироваться; б) способность к транспозициям; в) способность вызывать разрывы в сайтах внедрения; г) способность менять свое состояние. Однако все эти свойства проявлялись лишь в присутствии Aс.

В начале 80-х годов началась эра молекулярных исследований на растениях, и вывод Б. МакКлинток блестяще подтвердился. Действительно, нестабильные мутации, вызванные факторами Ds-Ac, содержали вставку. Полноразмерный мобильный Ac-элемент имел длину около 4.5 тыс. п. н., a Ds оказался дефектным вариантом Ас, который сам по себе неспособен перемещаться, но активируется в присутствии Ас, содержащего транспозазу -- фермент транспозиции.

Две основный новые идеи в генетике связаны с работами Б МакКлинток: 1) мутантное событие, приуроченное к определенному локусу или гену, может быть связано не с изменением самого гена, а с неким контролирующим элементом; 2) этот контролирующий элемент является мобильным, он способен встраиваться в разные локусы, причем этот мобильный контролирующий элемент не один, а есть группа независимых элементов.

Хотя сообщение о первой серии исследований Б. МакКлинток было напечатано в трудах Американской академии наук (McClintock, 1950), а затем в более подробном виде представлено на одном их самых авторитетных форумов генетиков в Колд Спринг Харборе (McClintock, 1951), ее выводы казались ересью, чем-то неправдоподобным. Согласно теории Т. Моргана, гены должны иметь строгую прописку и существование целого класса мобильных элементов нарушало все каноны. Генетики воспринимали это примерно так же, как если бы в 1951 г. в период господства сталинизма жители Советского Союза узнали, что прописка, мнение парткома и КГБ необязательны, и можно свободно переезжать из одного города в другой и за пределы "железного" занавеса. По словам одного из членов Нобелевского комитета, в 1951 г. "оценить эту гипотезу могли не более пяти генетиков во всем мире", а сама Б. МакКлинток призналась, что "меня считали сумасшедшей" (Уоллис К., 1984).

3.3 Инсерционный мутагенез и вспышки мутаций у дрозофилы

Исследования нестабильных генов у дрозофилы после работы Демереца не проводилось в течение 30 лет и возобновились лишь в конце 60-х годов в работах американского генетика Мелвина Грина. Это поразительно, поскольку, начиная с 80-х годов, литература по генетике дрозофилы полна сообщений о таких явлениях. Дело, видимо, в том, что к этому времени исследователи стали подготовленными к такому поведению генов. В конце 60-х годов М. Грин обнаружил высокомутабильный аллель гена white -- w^crimson, который с частотой 1х10-³ давал реверсии к норме, а также мутировал к промежуточным по фенотипу (цвет глаз) аллелям. Кроме того, этот аллель обладал способностью к транспозициям в другие хромосомы. М. Грину удалось локализовать места транспозиций, и он опубликовал статью в самом авторитетном американском генетическом журнале "Genetics", ожидая большого резонанса.

Но никакого особого отклика (судя по запросам на статью) не было. Мелвин Грин вспоминает спустя 15 лет (Green, 1986): "Это расстроило и удивило меня, поскольку я думал, что явление спонтанной транспозиции гена заинтересует генетиков. Ведь феномен транспозиции имеет очевидные генетические и эволюционные следствия. Транспозиции w^c дополняли явление транспозиции контролирующих элементов МакКлинток. Транспозиции делали понятным, как ген, локализованный в одной хромосоме одного вида дрозофил, локализуется в негомологичных хромосомах у других видов. Спустя несколько месяцев после публикации работы я посетил Б. МакКлинток в ее лаборатории в Колд Спринг Харборе. Когда я посетовал ей на невнимание к статье о транспозиции, онf мягко успокоила меня таким замечанием: "Не волнуйтесь, нет ничего необычного с вашей статьей о транспозиции; люди просто к этому не готовы. Я прекратила публиковать мои результаты в генетических журналах в 1964 г., поскольку никто не читал, что я писала!"

Неподготовленность, естественный консерватизм, нежелание отказаться от надежного постулата о стабильной локализации генов имели следствием защитную реакцию следующего свойства. Может быть, в опытах Б. МакКлинток все абсолютно правильно, но мало ли чего не бывает в некоторых линиях и в некоторых группах организмов. Иногда, например, целые наборы хромосом могут элиминироваться, нельзя же это считать правилом.

Данные в пользу того, что нестабильные, вызванные инсерциями мутации не курьез, пришли из генетики популяций, из работ по анализу спонтанного мутационного процесса в природных популяциях дрозофил. В 30-е годы, выполняя исследовательскую программу Четверикова, биологи в России начали разносторонние исследования по генетике природных популяций дрозофил. Что касается спонтанного мутационного процесса, то были установлены три важных факта: 1) различие природных популяций по общему темпу мутирования; 2) колебание темпа мутирования в одной и той же популяции во времени; 3) вспышки мутабильности отдельных локусов в удаленных регионах. Особенно важны в этом отношении многолетние наблюдения Р.Л. Берг (1961), которая зафиксировала сначала резкую вспышку мутабильности (в сотни раз выше нормы) гена "желтое тело" в конце 30-х годов, а затем в конце 40-х -- возврат уровня мутирования к норме. Эти данные можно считать подтверждением идеи Гуго де Фриза о колебаниях темпа мутировния. Необходимо было быть готовым, что произойдут новые вспышки в других локусах.

Действительно, регулярные, из года в год наблюдения за изменением генофондов природных популяций дрозофил, позволили сначала зафиксировать в 1968 году резкий всплеск мутабильности и популяционной концентрации мутаций типа "abnormal abdomen" (нарушение сегментации брюшка), а в 1973 г. обнаружить подобное же явление в отношении сцепленного с полом гена singed "опаленные щетинки" (Berg, 1974, 1982; Голубовский и др., 1974).

Выделенные из разных популяций в период вспышки аллели гена singed (sn) или "опаленные щетинки", оказались нестабильными. Они отличались по фенотипу, частотам и направлениям мутирования. С частотой в сотни и тысячи раз выше обычной они мутировали к норме. Неожиданно оказалось, что нормальные по фенотипу ревертанты в потомстве либо вновь давали исходных мутантов, либо наряду с ними целый веер других мутантных производных. Это был первый случай в популяционной генетике, когда в природных условиях наблюдалась вспышка целой серии нестабильных аллелей. Генетический анализ привел к выводу, что вспышка мутабильности, появление в разных популяциях нестабильных аллелей есть результат инсерционного мутагенеза (Golubovsky, Ivanov, Green, 1977; Golubovsky, 1980).

Вся феноменология поведения нестабильных природных аллелей дрозофилы была в главных чертах поразительно сходна с поведением нестабильных генов у кукурузы, изученных Б. МакКлинток. До данного открытия еще можно было думать, что нестабильные мутации встречаются только в условиях лаборатории. По иронии истории, именно такое возражение делалось по отношению к обычным мутациям до работы С. С. Четверикова! Однако обнаружение вспышки во множестве популяций в ходе целенаправленных наблюдений снимало последние возражения скептиков.

С другой стороны, открывалось новое поле приложения молекулярной генетики. Одновременно в 1977 г. М. Грин показал, что в природных популяциях существуют определенные доминантные факторы, названные MR, которые индуцируют инсерционные мутации во множестве локусов (Green, 1977). Вскоре У. Энгельс обнаружил нестабильный singed аллель в дисгенетических скрещиваниях и показал, что частота мутирования зависела от направления скрещиваний, т. е. от ядерно-цитоплазматических соотношений (Engels, 1981). Это означало, что поведение гипотетических инсерционных элементов, вызвавших нестабильность, находится под контролем цитотипа. Оставалось ждать молекулярного подтверждения, последнего круциального эксперимента: что же представляют собой на уровне ДНК инсерционные элементы в нестабильных генах кукурузы и дрозофилы.

3.4 Открытие мобильных элементов у прокариот и их иерархия

Мутации, вызванные появлением мобильных элементов, были найдены у микроорганизмов случайно. Обычно для большинства спонтанных мутаций удается найти мутацию в другом гене (супрессор), подавляющую первую, так что восстанавливается нормальный фенотип. Но были обнаружены такие спонтанные мутации в галактозном опероне, которые выключают, инактивируют все гены, входящие в оперон, и в то же время неспособны супрессироваться, хотя сами по себе дают реверсии к дикому типу. Когда затем методами молекулярной гибридизации и электронной микроскопии сопоставлялись мутантные и нормальные опероны, то у мутантов был обнаружен инсерционный сегмент ИС (Shapiro, 1969; Starlinger, Seadler, 1972, 1976).

Довольно быстро выяснилось, что существует целая серия инсерционных элементов. Все ИС-элементы имеют общие черты организации и свойства: их концы обрамлены повторенными последовательностями, в местах внедрения в хромосому образуются короткие дупликации. Размер элементов ИС2 и ИСЗ равен 1300-1400 п. н., а мини-элементы ИС8 и ИС7 имели длину 108 и 54 п. н. ИС элементы способны включаться в разные локусы в любой ориентации, частично или полностью инактивируя работу гена-хозяина. Сами ИС не кодируют внутри никаких генов, кроме одного или нескольких, необходимых для собственного передвижения. Но зато они включают знаки генетической пунктуации, промоторы и терминаторы.

Некоторые из ИС, подобно фактору Ds у кукурузы, регулярно индуцируют разрывы хромосом и делеции вблизи локуса внедрения. Последовательности ИС элементов, выделенные из разных локусов, были почти идентичны. Более того, одни и те же ИС были обнаружены у разных видов бактерий. Их число в геноме может варьировать от нескольких штук до нескольких сотен. Например, у дизентерийной бактерии Shigella dysenteriae no геному разбросано около 200 копий ИС подобных элементов.

Стало очевидно, что ИС-элементы -- не пришельцы неведомо откуда, а вполне обычные элементы генома, и что существует целая иерархия мобильных элементов. Сами ИС-элементы очень часто входят в состав мобильных элементов следующего класса -- транспозонов. Транспозоны на концах обрамлены повторами или ИС-сегментами, а в середине несут разные гены, не связанные непосредственно с транспозициями, например, гены устойчивости к антибиотикам. Следующий шаг в иерархии мобильных элементов -- плазмиды. Это, по существу, транспозоны, которые приобретают фактор собственной репликации и поэтому способны размножаться в клетке относительно независимо от хромосомы хозяина. И, наконец, последнее звено в этой иерархии -- бактериофаги, которые уже включают в свой состав гены, необходимые для белковой оболочки.

В начале 70-х годов мало кто из молекулярных генетиков понимал, что открытие ИС-элементов и транспозонов -- это молекулярное подтверждение идей Б. МакКлинток. Питер Штарлингер, один из открывателей мобильных элементов бактерий, констатирует, что еще в 1972 г. его первый обзор по инсерционным мутациям привлек мало внимания. Но уже в 1976 г. на второй опубликованный обзор пришла масса запросов. А спустя еще год на симпозиуме в Колд Спринг Харборе в 1977 г. на доклады по подвижным элементам было трудно попасть в зал! (Starlinger, 1984).

Сам П. Штарлингер и его коллега Г. Сэдлер (Н. Saedler) очень быстро поняли, что они, по существу, открыли то, что было четверть века назад предсказано Б. МакКлинток. Неудивительно, что они практически оставили работу по микроорганизмам и переключились на молекулярно-генетический анализ нестабильных мутаций у кукурузы и других растений. Их целенаправленные поиски сразу же увенчались успехом (Федорофф, 1984; Saedler, Starlinger, 1991).

3.5 Мобильные гены эукариот: случайность и целевой поиск

Мобильные гены дрозофилы были открыты случайно в ходе выделения клонов активно транскрибируемых генов. Выделяемая ДНК дрозофилы "нарезалась" рестриктазами на отдельные фрагменты, они клонировались с помощью методов генной инженерии, и затем определяли, какие из фрагментов образуют гибриды с мРНК культивируемых клеток дрозофилы. Затем клоны визуализировались на политенных хромосомах разных линий. Было найдено, что ряд клонов встречается среди повторенных последовательностей, а гибридизация меченной ДНК на политенных хромосомах показывала их дисперсную локализацию (Георгиев, 1989).

Вначале эти клоны были названы как "мобильные диспергированные гены" (МДГ) в лабораториях Г.П. Георгиева и В.А. Гвоздева, и "копия" -- copia последовательности в лаборатории D. Hogness в США. К началу 90-х годов у разных видов дрозофил было выделено свыше 30 семейств подвижных генов. Поэтому теперь предпочитают более нейтральное название МГЭ -- мобильные генетические элементы. Доля МГЭ в геноме дрозофилы вида D. melanogaster составляет около 15%. Уже в 1981-1982 гг. были получены прямые доказательства, что нестабильные аллели, найденные М.М. Грином в локусе white, связаны с внедрением МГЭ. При этом реверсии мутант-норма происходят чаще всего за счет вырезания инсерции МГЭ (сводка: Хесин, 1984; обзор: Юрченко, Голубовский, 1988).

В лаборатории Дж. Рубина из Института Карнеги в Вашингтоне в 1982 г. был найден один из самых замечательных мобильных элементов "Р". Он оказался ответственен за Р-М-систему гибридного дисгенеза и активировался в Р-линиях на фоне цитоплазмы линий М-цитотипа. Р-элемент обнаружил избирательное сродство к ряду локусов и прежде всего к локусу singed (Engels, 1983). И, наконец, вскоре круг замкнулся. М.Д. Голубовский и Е.С. Беляева (1985) установили, что более 50% выделенных из природы нестабильных аллелей локуса оказались связанными с внедрением Р-элемента. Остальные нестабильные аллели также имели инсерционную природу.

С начала 80-х годов начались регулярные поиски мобильных генов у нестабильных мутантов кукурузы. В 1983 г. из найденного Б. МакКлинток нестабильного аллеля гена wx (мутный эндосперм зерна) был выделен молекулярный аналог элемента Ас, оказавшийся МГЭ со всеми ожидаемыми свойствами и очень похожий на Р-элемент дрозофилы (Федорофф, 1984).

Таким образом, в период 1981-1983 гг. еретическая гипотеза Б. МакКлинток о связи нестабильности с внедрением мобильных элементов была полностью подтверждена на молекулярном уровне. Основные этапы этой длинной истории в раскрытии тайны нестабильности представлены в табл. 2.

Таблица 2. Основные вехи в изучении вспышек мутаций и нестабильных генов

Основные ссылки см. в сводке Р.Б. Хесина (1984).

Мобильные элементы к настоящему времени найдены во всех случаях, где сколько-нибудь детально велся их поиск: от плоских червей до млекопитающих, включая человека. Самые первые найденные у дрозофилы мобильные элементы типа МДГ или copia оказались сходными по организации с РНК-содержащими онкогенными ретровиру-сами, куда относится и вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).

У прокариот можно выстроить эволюционный ряд: инсерционные сегменты -- транспозоны -- плазмиды -- бактериофаги. Точно также можно выстроить аналогичный ряд у эукариот. Эндогенные ретровирусы имеют на концах длинные концевые повторы, ДКП или LTR, их длина 5-7 тыс. нуклеотидных пар, они несут всего три гена. Архетип их структуры таков:

5¹ -- LTR -- gag -- pol -- env -- LTR -- 3¹.

ген gag -- кодирует внутренние структурные белки вируса;

ген pol- кодирует обратную транскриптазу (ревертазу);

ген env -- белки оболочки;

ДКП несут знаки генетической пунктуации, их размер составляет 250-500 п. н.

МГЭ эукариот делятся на два основных класса. К первому классу относятся элементы, которые перемещаются, используя обратную транскрипцию -- ретротранспозоны. Они несут ген, кодирующий ревертазу и чтобы начать встраиваться, по матрице РНК строят ДНК-копию, которая и внедряется в разные места хромосомы. В свою очередь, ретротранспозоны распадаются на две группы: а) ретровирусо-подобные элементы, несущие на концах длинные концевые повторы, и б) невирусные элементы, не имеющие на концах ДКП, но кодирующие ген ревертазы.

В группу ретровирусоподобных входят элементы из геномов дрожжей, насекомых, млекопитающих и растений.

Второй класс МГЭ образуют собственно транспозоны, имеющие на концах короткие обращенные повторы и в середине -- ген, кодирующий транспозазу. Сюда попадают: знаменитые контролирующие элементы кукурузы семейства Ac-Ds, мобильные элементы Р и Hobo у дрозофилы; удивительный элемент mariner, найденный впервые у одного эндемичного вида дрозофил с о-ва Маврикий и оказавшийся распространенным от нематод до человека (Kidwell, 1993).

Возникает вопрос о происхождении разных семейств мобильных элементов. Чем объяснить резкие различия наборов МГЭ у близких видов и отсутствие упорядоченности в их встречаемости, факультативность. Виды одного рода зачастую не имеют одинаковых МГЭ в геномах как, например, D. melanogaster и D. virilis. Подобные факты служат веским доводом об экзогенном, вирусном происхождении мобильных элементов. Можно думать, что такие виды заразились разными вирусами уже после дивергенции. Данные факты также говорят о сравнительной независимости эволюции МГЭ от эволюции других генетических компонентов.

Для понимания действующих в природе процессов реорганизации генома очень важны данные, полученные шведским генетиком Гуннаром Изингом. Он провел систематические наблюдения за передвижением по геному в разных линиях большого транспозона, имеющего в своем составе ген white и расположенный поблизости ген "грубые глаза". Этот гигантский транспозон длиной в десятки тысяч нуклеотидных пар, возник спонтанно. Благодаря большой протяженности он оказался виден в участках своего внедрения на политенных хромосомах слюнных желез в виде избыточных дисков. В результате целенаправленных поисков Г. Изинг идентифицировал более 200 различных транспозиций. Перемещаясь по геному, этот супертранспозон прихватывал фрагменты соседних локусов. Г. Изингу удалось обнаружить явление похожее на чудо. Транспозон встроился в район центромеры, захватил сегмент центромерной ДНК и превратился в минихромосому! (Block, Ising, 1990). Так могут возникать новые хромосомы и новые генные конструкции.

4. Мозаичность генов эукариот: непредсказуемое открытие

Практически одновременно с выделением подвижных элементов было сделано совсем непредвиденное открытие: мозаичная структура генов у эукариот. Впечатление от этого открытия хорошо выразил патриарх молекулярной генетики Фрэнсис Крик: "За последние два года в молекулярной генетике произошла мини-революция. Когда я приехал в Калифорнию в сентябре 1976 г., у меня даже мысли не возникало, что обычный ген может быть расщеплен на несколько кусков. Я сомневаюсь, чтобы кто-либо подозревал об этом" (Crick, 1979).

Гены эукариот оказались мозаичными, составленными из сегментов, которые входят в матричную РНК, и сегментов, которые вырезаются перед тем, как зрелая мРНК транслируется в белок. Таким образом, если у микроорганизмов действует правило колинеарности, т. е. однозначное соответствие между последовательностью ДНК в данном гене и кодируемой последовательностью аминокислот в данном полипептиде, то у эукариот это правило не работает.

Число нитронов в гене колеблется от одного до нескольких десятков. Рекордное число интронов (около 50) обнаружено в коллагеновом гене. Суммарные размеры интронов в составе генов зачастую превышают таковые экзонов, частично объясняя С-парадокс в количестве ДНК. В лаборатории Г. П. Георгиева впервые было проведено клонирование человеческого гена для белка, называемого клеточным опухолевым фактором или р53. Этот ядерный белок -- один из ключевых в канцерогенезе, он обладает способностью связываться с ДНК хромосом и обнаруживается в клетках многих опухолей. В этом гене 11 экзонов и 10 интронов. Общий размер генар53 равен 18 300 п. н., из них на долю экзонов приходится всего около 2600. Иными словами, примерно 85% ДНК, входящей в состав гена, не транслируется в структуру белка. Гены р53 у мыши и человека, отличаясь по составу нуклеотидов, имеют сходную ингрон-экзонную организацию (Георгиев, 1989).

Открытие генной мозаичности произвело ошеломляющее впечатление. "Разорванная структура эукариотических генов была одной из крупнейших неожиданностей в молекулярной биологии. Она не вытекала из каких-либо априорных соображений, а просто явилась неумолимым выводом из результатов эксперимента... Возник вопрос, зачем природе понадобилось вводить сложный процесс сплайсинга, включающего разрывы и соединения концов РНК и уничтожение трех четвертей про-мРНК, вместо того, чтобы просто иметь непрерывные гены, как в случае прокариотических микроорганизмов" (Георгиев, 1989, с. 48).

4.1 "Почему гены кусками?" -- необычная судьба заметки У. Гилберта

Термины экзон и интрон были введены в генетику Уолтером Гилбертом в его короткой заметке, опубликованной в 1978 г. Статья эта вовсе не экспериментальная. Она из ранга мини-обзоров, которые публикует журнал "Nature" в начале каждого выпуска в разделе "News and views" ("Новости и мнения"). Тем не менее, сами термины с быстротой молнии вошли в науку, а заметка У. Гилберта остается до сих пор одной из самых цитируемых, знаменуя новое мировоззрение в генетике.

Последний за 1991 г. номер издающегося в Англии журнала "Контекст науки" ("Science in Context") посвящен проблемам стиля в науке. Автор одной из статей проанализировал, как стиль написания связан с необычной судьбой спекулятивной заметки У. Гилберта "Почему гены состоят из кусков" (Gilbert W., 1978).

Начать с того, что по оценкам G. Myers (1991), заметка У. Гилберта является одной из самых цитируемых в области молекулярной генетики в десятилетие с 1978 по 1988 г. Уже в год ее появления (март, 1978) на нее было 20 ссылок, затем рейтинг возрос и оставался устойчиво высоким: 1979 г. -- 66 ссылок, 1980 г. -- 79, 1981 г. -- 73, 1982 г. -66, 1983 г. -- 80, 1984 г. -- 58, 1985 г. -- 86. Ситуация удивительная для работ в такой сверхбыстро развивающейся области, как молекулярная биология! Повторим, заметка У. Гилберта, опубликованная в разделе "Новости и мнения", по жанру спекулятивная, в ней не сообщается о каких-либо новых фактах. Но именно в этом ее сила -- она давала автору возможность в ясной форме показать значение новых фактов. Она знаменовала собой новое мировоззрение в генетике, особенно в генетике высших организмов.

Хорошо помню на собственном опыте, как прочитав заметку У. Гилберта в 1978 г., испытал сильное возбуждение и даже некоторое потрясение. Можно указать три причины большого влияния заметки У. Гилберта:

1. Статья обсуждала самую болевую точку в процессе ломки представлений и переходе от классического к новому представлению о гене;

2. Статья вводила новые концептуально важные термины -- экзон и интрон, которые моментально были приняты научным сообществом;

3. Статья касалась важных аспектов эволюции генов.

По сложившемуся позитивистскому канону статьи в области экспериментальной науки имеют столь же строгую структуру, как это было в XVIII в. в драматургическом классическом стиле: вступление, экспериментальная часть и обсуждение. Канон явно или неявно требует, чтобы экспериментатор довольно резко отделял свои выводы из своих данных, от их трактовки, осмысления: все это выносится в обсуждение. Для раздела "обсуждение" характерны определенные стилистические фигуры, как бы ограждающие факты от мнений: "возможно", "могли бы", "мы предполагаем".

Постепенно развился своеобразный "мизологизм" (платоновский термин) -- боязнь размышлений -- черта, которая уже ясно проявилась в науке в 20-е гг. (Любищев, 1925). Поэтому У. Гилберт начинает свою статью прямо с формулировки обобщений, избегая тех оград и оговорок, которыми сопровождается обсуждение фактов в появившейся через несколько месяцев экспериментальной статье о мозаичной структуре гена (Tonegawa et al., 1978), где в числе авторов он стоит последним.

G. Myers (1991) провел стилистический анализ этой совместной экспериментальной статьи и статьи самого У. Гилберта.

"Мы полагаем, что большинство генов в клетках высших организмов состоит из информационных ДНК последовательностей, между которыми вставлены молчащие последовательности" (Tonegawa S., et al., 1978).

"Можно ожидать, что среднеповторяющиеся последовательности внутри нитронов могут стать горячими точками рекомбинационных обменов, по которым перемешиваются экзонные последовательности" (Tonegawa S., et al., 1978).

И эти же два смысловых отрывка в статье самого У. Гилберта выглядят так: "Анализ эукариотических генов во многих лабораториях, включая глобин, овальбумин, иммуноглобулин, белки вируса полиномы и SV40, показывает, что районы гена, которые в итоге транслируются в аминокислотные последовательности, не непрерывны, но прерываются "молчащей" ДНК".

"Среднеповторяющиеся последовательности внутри интронов могут создать горячие точки для рекомбинаций, по которым перемешиваются экзонные последовательности" (Gilbert, 1978).

Если в экспериментальной работе с соавторами доминирует оттенок предположения, то в статье самого У. Гилберта употребляются безличные обороты, которые делают утверждение более твердым. У. Гилберт "хоронит" знаменитый термин "цистрон", который был введен в генетику С. Бэнзером еще в начале 50-х годов для операционального обозначения гена как единицы функции. Термин "цистрон" подразумевал однозначное соответствие между структурой гена и структурой его продукта, полипептидной цепи. Этот термин, по У. Гилберту, должен быть заменен термином "единица транскрипции", которая содержит участки, утрачиваемые в период созревания мРНК. "Я предлагаю называть эти участки интронами, т. е. (intragenic regions), а чередующиеся с ними участки, которые будут экспрессироватъся -- экзонами (expressed regions)" (Gilbert W., 1978, с. 50).

Таким образом, смена терминов подчеркивала различие между старыми и современными представлениями о гене. У. Гилберт уже в самом названии "Почему гены состоят из кусков" попытался дать эволюционное истолкование поразительному открытию. Он называет два возможных преимущества такого мозаичного строения: 1) блоки экзонов могут перемешиваться между собой и, таким образом, гораздо быстрей, чем просто заменой оснований, возникают новые генные конструкции; 2) новые генные конструкции могут возникать и апробироваться под покровом старого гена, если интроны, в силу неточности вырезания (сплайсинга), будут иногда считываться вместе с экзонами. Такого рода явление получило название альтернативный сплайсинг. Получается, что с одного участка ДНК или одного гена могут считываться не одна, а две или более РНК-матриц, и тогда образуется несколько вариантов полипептидных продуктов.

Альтернативный сплайсинг обнаружен теперь у большинства генов (Георгиев, 1989). Он позволяет с одного гена получать разные продукты в разное время онтогенеза и в разных тканях. Он действует, например, в случае регуляции подвижности Р-элемента у дрозофилы. Р-элемент кодирует фермент транспозазу, которая регулирует его передвижение (вырезание -- внедрение). Ген транспозазы состоит из четырех экзонов и трех нитронов. В половых клетках все три интрона вырезаются, образуется активная транспозаза, и Р-инсерционные мутации высоконестабильны (переходы мутант -- норма есть результат вырезания Р-инсерта). Но в соматических клетках тот же самый инсерционный мутант стабилен, не мутирует. Оказалось, что в соме при транскрипции с Р-ДНК считывается часть третьего интрона и белковый продукт этой усеченной единицы транскрипции является уже не активатором, а репрессором собственной транспозиции! (Rio, 1990). Подобным образом, альтернативный сплайсинг может регулировать темп мутаций в разных тканях.

5. Дискуссия по эгоистичной ДНК

Молекулярные генетики, приступившие к анализу структуры и функции генома и ДНК в начале 60-х годов в большинстве своем разделяли убеждение, что любые особенности в составе ДНК должны иметь адаптивный (функциональный) смысл; различия по составу ДНК внутри вида и между видами должны быть результатом отбора. Поэтому таким потрясением оказался С-парадокс эукариот, суть которого, повторим, такова:

1) избыточное содержание ДНК в расчете на гаплоидное число хромосом; 2) отсутствие явной связи между величиной С и таксономическим рангом организмов; 3) резкие различия в уровне С у близких видов при очевидном сходстве числа их генов; 4) резкие локальные изменения в плюс или минус сторону в одних и тех же локусах у особей одного или близких видов.

Анализ гетерогенности ДНК показал, что геномы эукариот содержат неинформативные последовательности, повторенные десятки тысяч или сотни раз, причем многие из них даже не транскрибируются. В 1980 г. в одном и том же номере "Science" появились две статьи, в которых сделана попытка истолковать С-парадокс, отказываясь от дарвиновского принципа адаптивной эволюции (Doolittle Sapienza 1980; Orgel, Crick 1980).

Авторы, одним из них был знаменитый Френсис Крик, сделали простое предположение, что существуют (и время от времени мутационно возникают) "эгоистичные последовательности", которые в силу своей "врожденной" молекулярной структуры получают преимущество в скорости или в возможности репликации и распространения по геному. И таким образом, они увеличивают свою долю в популяции ДНК генома. Это было своего рода покушение на миф об обязательной адаптивности в устройстве "главной молекулы".

Сразу после публикации посыпался шквал опровержений. Спустя 14 месяцев Дулитл признается: "Подобно д-ру Оргелу и д-ру Ф. Крику мы были удивлены в ряде случаев довольно отрицательной реакцией, вызванной точной формулировкой наших идей, которые интуитивно казались нам очевидными" (Дулитл, 1986). Большинство возражений строилось на том, что приводились факты либо функциональной полезности тех или иных эгоистических последовательностей, вроде транспозонов, либо их влияния на функции клетки. У. Дулитл еще раз разъясняет свою позицию: "Ни мы, ни д-р Оргел и д-р Крик никогда не отрицали, что подвижные элементы и высокоповторяющиеся последовательности ДНК гетерохроматина могут играть определенную роль в эволюции. Мы не отрицали также, что эта роль может быть и существенной, даже основной, для макроэволюционных изменений. Мы только против предположения о том, что данные элементы возникли в результате, естественного отбора и сохраняются естественным отбором в связи с этой их ролью (выделено автором -- Дулитл У., 1986).

Подобная ситуация была давно обыграна в сказке Редьярда Киплинга о слоненке. Слоненок был очень любопытным и желал узнать, что кушает за обедом крокодил. Крокодил в ответ схватил его за нос и стал тянуть. Образовался хобот, который сначала весьма опечалил слоненка. Но хобот оказался очень выгодной штукой. Он позволял срывать листья с высоких деревьев и обливаться водой, отгонять мух и давать тумаки милым братцам. Однако, все эти весьма полезные функции хобота никакого отношения к причинам его возникновения не имели!

Точно так же обстоит дело со многими молекулярными и морфологическими характеристиками. Например, возможность репарации двунитевых повреждения ДНК в мейозе была, видимо, основной причиной возникновения пола у первых эукариот (Гершензон, 1991). Критический нажим коллег за посягательство на миф был столь силен, что У. Дулитл закончил свою статью обещанием: она "будет последней из числа когда-либо написанных мною статей об "эгоистичной ДНК" (Дулитл, 1986).

6. Что есть ген?: от Моргана до наших дней

Начну с цитат, предоставив читателю возможность отгадать, кто их автор и тем самым прикоснуться к истории генетики.

1. "У современных последователей Менделизма факты часто превращаются в факторы с большой легкостью. Если один фактор не может истолковать факты, изобретается дополнительный, если двух недостаточно, привлекается третий. Иногда искусное жонглерство позволяет удивительным образом сделать результаты превосходно "объяснимыми", поскольку каждый раз объяснение изобретается заново. Presto! Объяснить факты теми же факторами, которые мы сами изобрели, чтобы объяснить их! ... Я понимаю, как важно упорядочить наши результаты на основе небольшого числа допущений. Однако, я опасаюсь, что мы быстро разовьем некий сорт Менделеевского ритуала, чтобы истолковать необычные факты на основе альтернативного наследования. До тех пор, пока мы ясно осознаем чисто произвольный характер и формальность наших формул, то особого вреда нет; надо только честно заявлять, что исследователи, которые работают на основе правил Менделя, не забывают о гипотетической природе факторов".