Проблемы теории эволюции в их соотношении с современной генетикой

Некоторые проблемы теории эволюции в их соотношении с современной генетикой

1. Наследственные изменения как процесс. Вехи познания

Ю.А. Филипченко предложил рассматривать изменчивость с двух точек зрения: как состояние (индивидуальная и групповая изменчивость) и как процесс. В последнем случае предлагалось выделять три вида изменений: ненаследственные, или модификации, и два вида наследственных -- мутации, возникающие без скрещиваний, и комбинации, возникающие с участием скрещиванием. Вслед за Э. Бауром Ю. А. Филипченко предлагал вкладывать в термин вариация более широкий смысл и "понимать под вариациями все три вида возможных изменений организмов: модификации, мутации и комбинации" (Филипченко, 1929, с. 13).

Заметим, что в настоящей работе предложено термин "вариация" использовать во вполне определенном ограниченном смысле, для обозначения наследственных изменений, непосредственно связанных с самыми разными факультативными элементами генома, от повторов ДНК до дополнительных хромосом и цитобионтов (Голубовский, 1985). Это разграничение вариаций и мутаций дает возможность сохранить под понятием мутация моргановский смысл, как локализованное изменение генетического материала (генное, хромосомное, геномное).

Интересную периодизацию истории изучения мутационного процесса сделала Шарлотта Ауэрбах (1978), которой принадлежит честь быть среди первооткрывателей химического мутагенеза. В этой периодизации основу составляют концептуальные открытия и новые методические подходы:

Первый период: с 1900 по 1927 г. Были развиты представления о мутациях и о частоте их возникновения, разработаны методы их количественной оценки. Основной концептуальный вклад в эту область принадлежит Томасу Моргану и его школе. Морган, как уже отмечалось, "материализовал" понятие мутаций, связав их с изменениями генетических локусов хромосом. Ученик и последователь Моргана Меллер в 1921 году высказал идею о сохранении способности гена к самовоспроизведению при изменении его свойств. "Когда изменяется структура гена... каталитические свойства гена могут соответственно измениться так, чтобы сохранить его способность к автокатализу" (цит. по Ш. Ауэрбах, 1978, с. 15). Это свойство генов получило впоследствии название конвариантной редупликации.

Г. Меллеру же принадлежит концепция "скорости генетического процесса". В 1927 году он ввел в практику применяемый до сих пор на дрозофиле метод измерения этой скорости, за что получил Нобелевскую премию в 1946 г. О том, какой эффект произвела работа Г. Меллера на научное сообщество, говорит хотя бы такой факт. Открытию Г. Меллера уже 11 сентября 1927 в "Правде" была посвящена статья А. С. Серебровского под названием "Четыре страницы, которые взволновали ученый мир" (цит. по Хесин, 1972).

Период: 1927-1941г. Исследование радиационного мутагенеза и формулировка теории мишени (Н. В. Тимофеев-Ресовский и Циммер). Открытие мутагенного действия УФ-лучей. Дискуссия о природе генных мутаций, представляют ли они собой истинные точковые мутации или внутригенные перестройки (делеции и дупликации).

Третий период: 1941-1953 г. Открытие химического мутагенеза. Концепция предмутационных или потенциальных повреждений, что привело затем к открытию репарации ДНК. В эти же годы М. Е. Лобашов формулирует концепцию о возникновении мутаций в процессе нетождественной репарации клеточных повреждений.

Четвертый период: с 1953 г. до начала 1965 г. Открытие принципа устройства и репликации ДНК как носителя наследственной информации. ("Двойная спираль" Уотсона и Крика). Идея Г. Меллера об автокаталитической способности генов воплотилась в открытие авторепликации комплементарных цепей ДНК. Исследование химии нуклеиновых кислот и построение биохимической и молекулярной концепции мутагенеза. Открытие фоторепарации, мутагенной специфичности и индуцированной нестабильности. Однако несмотря на эти успехи, отмечает Ш. Ауэрбах (1978), нестабильность гена оставалась "интригующей проблемой".

Пятый период с 1965 г. до середины 70-х годов. Внимание с ДНК переключилось на клетку в целом, в центр интересов перемещается проблема потенциальных повреждений и репараций и ее связь с другими клеточными процессами. Загадки генной и хромосомной нестабильности, парамутаций остаются нерешенными.

Если продолжить линию Ш. Ауэрбах, то с конца 70-х годов и до настоящего времени можно выделить шестой период, связанный с открытием мобильных элементов, установлением ведущей роли разных форм рекомбинации как основного источника наследственных изменений. Возникновение комплекса проблем, обозначенных как "непостоянство генома".

Итак, к середине 70-х годов стало очевидно, что возникновение мутаций -- это многоступенчатый клеточный процесс. В таком случае, следуя традиции Филипченко, можно рассматривать уже сами мутации с двух позиций: и как процесс, и как состояние. Сразу же выясняется амбивалентность, несовершенство традиционных определений мутаций. Вот одно из них: "Мутации -- это внезапно возникающие изменения генетического аппарата организма, приводящие к тем или иным изменениям его морфологических или физиологических признаков (в совокупности называемых фенотипом организма)" (Гершензон, 1991). Здесь можно видеть попытку совместить подход де Фриза, не связывающий наследственные изменения с конкретным материальным носителем, с моргановской традицией материализации мутации (генетический аппарат, гены).

Определение С. М. Гершензона фиксирует наследственные изменения как состояние, как некий фенотипический итог. Если же задаться вопросом о мутациях как о процессе, то резонно возникают естественные вопросы: что понимать под "генетическими изменениями", что значит "внезапно" и какие изменения фенотипа относить к мутациям. Например, сам наследственный аппарат с информационной точки зрения следует относить к генотипу и в то же время его можно рассматривать как признак фенотипа (Кордюм, 1993). Проблема определения мутаций с одной стороны стала ясней, а с другой -- чрезвычайно усложнилась при переходе исследований на молекулярный уровень. "Большинство генетиков сходятся во мнении, что удовлетворительного определения понятия мутации не существует, как с точки зрения причины наследственного изменения, так и с точки зрения его проявления" (Инге-Вечтомов, 1983, с. 140). Ситуация знакомая, еще раз напоминающая о важности размытых понятий в биологии и о дилемме точность -- правильность (см. гл. 1).

В контексте эволюционной генетики важно подчеркнуть следующие аспекты феномена мутаций как события, происходящего во времени:

1) мутация -- это итог многоступенчатых клеточных событий, среди которых главную роль играют матричные и генетические процессы;

2) процессы мутаций и рекомбинаций на молекулярном и цитологическом уровне тесно связаны, и многие изменения по существу являются мутационно-рекомбинационными;

3) наследственные и ненаследственные изменения могут иметь в основе общие механизмы и нередко четкое разграничение между ними затруднительно;

4) существование в линейной структуре большинства генетических локусов повторенных последовательностей, либо повторенности самих генов или их частей создает предпосылки для автогенетических векторных изменений;

5) наследственные изменения могут быть адаптивными, упорядоченными и их характер не случаен, но они могут зависеть от характера и направления отбора.

1.1 Наследственные изменения как ошибки матричных и генетических процессов

Возникновение наследственных изменений следует рассматривать как закономерный итог ошибок или нарушений двух процессов: матричных и генетических. Предложение выделять особо матричные процессы -- РЕПЛИКАЦИЮ, ТРАНСКРИПЦИЮ и ТРАНСЛЯЦИЮ -- от остальных метаболических процессов в клетке было сделано в 1966 году английским генетиком G. Pontecorvo (цит. по Инге-Вечтомову, 1976, с. 58). Матричные процессы связаны с перекодированием генетической информации на новые матрицы ДНК -- ДНК, ДНК -- РНК и РНК -- белок.

Под понятием "генетические процессы" в узком смысле слова можно понимать процессы, которые определяют относительную устойчивость, структурную и функциональную стабильность носителей генетической информации и закономерный характер их распределения между дочерними клетками. К генетическим процессам относятся РЕПАРАЦИЯ, РЕКОМБИНАЦИЯ и СЕГРЕГАЦИЯ.

На рис. 4 схематически представлены две группы процессов и взаимосвязи между ними, которые определяют появление наследственных изменений. Детали процессов описаны в соответствующих сводках (Стент, Кэлинджер , 1981; Инге-Вечтомов, 1983; Льюин, 1987). Мы остановимся лишь на некоторых моментах.

Необходимо особо подчеркнуть аспект факультативности в осуществлении всех трех видов матричных процессов у эукариот (рис. 4).

Рис. 4. Наследуемые изменения как процесс, результат ошибок в матричных и генетических процессах. Метаболические связи между процессами указаны стрелками

Системы ДНК-репарации определяют стабильность и степень ошибок в ходе матричных и генетических процессов и связаны с физиологией клетки.

Факультативность матричных и генетических процессов служит важным доводом в пользу сформулированного нами ранее принципа облигатности -- факультативности в структуре и функции генома (глава 4). Факультативность репликации означает возможность относительно автономной гипер- или гипорепликации отдельных сегментов ДНК, независимо от плановой закономерной репликации всей молекулы ДНК или хромосомы на определенной стадии клеточного цикла. Такими свойствами обладают участки гетерохроматина. Факультативная репликация приводит к амплификации отдельных участков в пределах хромосом, либо к их автономному существованию в цитоплазме в виде линейных или кольцевых плазмид. Регулярность спонтанной факультативной амплификации доказана прямыми опытами (Johnston, et. al, 1983).

Факультативность транскрипции состоит в возможности появления разных мРНК с одной и той же матрицы за счет существования альтернативных промоторов и альтернативного сплайсинга. Наконец, факультативность трансляции проявляется в разных вариантах опознания одного и того же кодона, например опознания его как стоп-кодона, или как значащего кодона для включения определенной аминокислоты в белке. Эта факультативность, или, как ее иногда называют, неоднозначность трансляции зависит от физиологических условий клетки и ее генотипа (Инге-Вечтомов, 1983).

В физиологической теории мутационного процесса М.Е. Лобашева появление мутации впервые связывалось со способностью клетки к репарации повреждений. Отсюда следовал вывод о том, что появлению мутации предшествует предмутационое состояние, когда потенциальное повреждение либо полностью обратимо, либо может реализоваться в виде мутации, понимаемой как "нетождественная репарация" (Лобашев, 1976). В своей гипотезе М.Е. Лобашев следовал концепции паранекроза, разработанной Д.Н. Насоновым и В.Я. Александровым и установившими закономерности ответа клетки на повреждения (Александров, 1985).

Действительно, определяющим звеном в возникновении генетических изменений и в триаде матричных, и в триаде генетических процессов является феномен репарации. Уже к началу 70-х годов стало ясно, что "высокая стабильность ДНК в клетке не является имманентным свойством самих молекул ДНК, а поддерживается особой ферментативной системой, находящейся, в свою очередь, под генетическим контролем" (Захаров, 1976).

Представим на миг, что репарации нет. В.А. Кордюм (1993) суммировал оценки потенциального давления мутаций и эффективности репараций для генома человека. В клетках млекопитающих каждый час происходит не менее 5000 спонтанных повреждений ДНК или 120 000 повреждений генома в сутки. Из расчета на один ген и одно клеточное деление, из 252 потенциальных повреждений ДНК лишь одно реализуется в виде изменения. Это дает эффективность репарации 0,996!

Процессы репарации разнообразны, они сочетают специфичные и неспецифичные ответы (Корогодин, 1985). Особенно удивительна система быстрого реагирования, так называемый SOS-ответ, когда после самых разных повреждений клетки, вызывающих появление однонитевых разрывов ДНК, происходит одновременная дерепрессия около 15 белков, участвующих в процессах репарации. Об этом упоминалось ранее, но отметим основные звенья удивительной системы. Ключевыми являются два гена recА и lexA, которые эпигенетически негативно регулируют друг друга на уровне взаимодействий ДНК -- белок и белок -белок. RecA, будучи активирован в ответ на повреждения, расщепляет белок LexA, который в остальное время (когда повреждений нет) подавляет транскрипцию гена recА.

Продукт структурного гена lexA, белок-димер, тормозит уровень собственной транскрипции. В терминах динамической наследственности lexA представляет собой однокомпонентный эпиген с отрицательной обратной связью. LexA белок является негативным транскрипционным регулятором для примерно 15 генов, участвующих в разных формах репарации ДНК, и в их числе ген recА -- ведущий в SOS-ответе.

Белок RecA многофункционален: в норме он вовлечен в рекомбинацию молекул ДНК и в то же время является сигнальным геном для запуска SOS-систем. При появлении повреждений в ДНК (однонитевые разрывы) ген recА меняет свою конформацию, приобретая свойства фермента-протеазы. Он расщепляет димеры белка LexA, в результате чего этот белок утрачивает свои репрессорные функции. Таким образом, меняя свою конформацию при повреждениии и превращаясь в протеазу, RecA -- белок снимает тормоз, налагаемый LexA белком, со считывания своей мРНК. Интенсивность синтеза RecA при стрессовом воздействии возрастает в среднем в 50 раз. При устранении повреждения SOS-ответ останавливается.

Когда знакомишься с системой SOS-ответа бактериальной клетки на вызов среды, то становится очевидной правота одного из основных тезисов современного французского эволюциониста П. Грасси (Р. Grasse), что "жить -- значит реагировать, а отнюдь не быть жертвой" (цит. по Чайковский, 1991, с. 163). Клетка обладает не только запрограммированными в ее геноме ответами на стресс, вроде SOS-реакций или генов теплового шока, но способна к генетическому поиску путем активации ранее молчащих мобильных генетических элементов, понижения информационных барьеров для проникновения в клетку и рекомбинационной интеграции чужеродной ДНК, а также запуска других систем непредсказуемой реорганизации генома в поисках ответа на стрессовый вызов среды (Корогодин, 1986). Поисковые функции генетической системы в условиях геномного стресса -- важная тема в Нобелевской лекции Б. МакКлинток (McClintock, 1984).

Рассмотрим теперь вкратце связь мутаций и рекомбинацией. С середины 70-х годов стала выявляться существенная эволюционная роль "ошибок рекомбинации" как поставщика наследственных изменений, гораздо более мощного, чем ошибки редупликации. Теперь очевидно, что генетическая рекомбинация "во всем многообразии ее форм и механизмов является главным фактором непостоянства генома, основой большинства его изменений, которые служат материалом для отбора, для микро- и макроэволюции. Именно рекомбинационные события приводят к возникновению или получению извне качественно новых генов, о которых до этого вид не мог даже мечтать" (Хесин, 1984, с. 294).

На молекулярном уровне различают три вида рекомбинации: общую, сайт-специфичную и репликативную. Для первой или "законной", регулярной рекомбинации (кроссинговер) необходимы длинные районы гомологии ДНК. Она осуществляется "врожденными" клеточными системами при конъюгации у бактерий и при мейозе у эукариот. И рекомбинационный акт, и репарация включают разрывы в цепи ДНК, их сшивку и восстановление. Сайт-специфичная рекомбинация довольствуется короткими, в несколько оснований, участками гомологии, какие, к примеру, имеют ДНК фага лямбда и хромосомы бактерии. По сходному сценарию происходят включение в геном мобильных генетических .элементов и регулярно происходящая в течение онтогенеза соматическая локальная рекомбинация между иммуноглобулиновыми генами, создающая их поразительное разнообразие.

Ошибки гомологичной рекомбинации можно рассматривать как закономерные последствия не точковой, а линейно протяженной структуры генов. Возникает своеобразная дилемма: "Вообще можно говорить, что митотические рекомбинации являются своеобразным типом мутагенеза или, наоборот, что некоторые виды мутагенеза (хромосомные аберрации) являются результатом "ошибок" митотических рекомбинаций" (Хесин, 1984, с. 310).

Расширились и рамки понятия "соматические мутации", под которыми теперь подразумеваются "любые наследуемые в клеточных поколениях изменения нуклеотидной последовательности, числа или топографии генов и регуляторных участков ДНК: точковые и другие микроизменения, мультипликация генов, разные хромосомные аберрации, включая нехватки, транслокации генов, перемещения к ним подвижных элементов, изменения числа хромосом и т. д." (Хесин., 1984, с. 279).

Если перемещения мобильных элементов или рекомбинация участков запрограммированы в онтогенезе, опять возникает трудность классификации таких наследственных изменений. Трансформацию пола у дрожжей долго считали мутационным событием, но оказалось, что на определенной стадии развития аскоспор она происходит с вероятностью, близкой к 1, в результате сайт-специфичной рекомбинации (Инге-Вечтомов С. Г, 1982).

Ошибки гомологичной рекомбинации приводят к дупликации сегментов ДНК. А.С. Серебровский в 1938 г. впервые выдвинул идею, что возникновение новых генов может быть основано на их дупликации и последующей дивергенции с утратой "дуплетных" (общих с гомологом) функций. Теперь очевидно, что дупликация генов, их организация в мультигенные семейства разной структуры -- одна из характерных черт организации генома эукариот.

В мультигенные семейства организованы основные жизненно важные гены или "гены домашнего хозяйства" -- локусы, контролирующие белки рибосом -- клеточных органелл, где происходит синтез белка, локусы, кодирующие гистоновые гены, транспортные РНК. При этом блоки могут быть организованы из тандемно повторенных генных копий, скоплений копий, разделенных промежуточной ДНК (спейсерами) и из разбросанных по геному копий (как в случае транспортной РНК).

Стоит только образоваться тандемной копии гена, как этот тандем, словно участок кристаллизации, закономерно ведет к процессу дальнейшего умножения копий. Число копий в тандеме или семействе -- видовой признак. Видовые ограничители числа копий еще предстоит познать.

Существует механизм закономерного образования копий за счет действия ревертазы, когда с мРНК гена образуется его ДНК -- копия, которая рекомбинационно интегрируется в разные места генома, образуя "псевдоген", неспособный к транскрипции. Около 10% генов Генома имеют варианты псевдогенов, создавая своеобразный эволюционный потенциал.

Транспозоны и вирусы, способные интегрироваться в геном эукариот, создают множество гомологичных участков в удаленных по разным хромосомам точках. По ним происходят рекомбинационные события. Закономерные рекомбинационные перемещения участков ДНК лежат в основе колоссального разнообразия клеточных клонов В-лимфоцитов -- продуцентов специфических антител. После того, как такое разнообразие создано, включается селективный механизм размножения определенного клона, обеспечивающего защитную реакцию по отношению к данному антигену (Хесин, 1984).

Эти несколько примеров показывают, что рекомбинацию ни в коем случае нельзя сводить к перетасовке уже существующих генов, как в колоде карт. Рекомбинация -- мощный источник новообразований внутри имеющихся генов, источник создания новых генных конструктов, способ репарации и механизм включения новых генетических элементов и обеспечения потока генов между клетками одного вида и генными системами разных видов. Если продолжить аналогию с колодой карт, то в результате рекомбинации происходит не только перетасовка, но изменяется их число, появляются "дамо -- валеты" или "дамо -- короли", "двойные тузы" или "тройка -- семерка -- туз" в одной карте, причем разных мастей, и прочие трудновообразимые новации. По такому сценарию, полагают, возникли белки с множественными функциональными сайтами, новые системы генного регулирования.

Впервые пример образования новых необычных генных конструкций в природе с участием мобильных элементов был обнаружен нами при исследовании вспышек мутаций в естественных популяциях дрозофил D. melanogaster. Два соседних вполне независимых друг от друга гена singed "вильчатые щетинки" и "зачаточные крылья" оказались "сшитыми" друг с другом и попали под контроль мобильного элемента. В результате эти гены стали совместно проявляться и совместно мутировать, так что от двойного нестабильного мутанта при разных перемещениях транспозона возникали нормальные особи и от них вновь двойные мутанты.

В 1978 году инсерционный механизм появления этого двойного "крылощетинкового" мутанта (модель перспективного монстра по Гольдшмидту) был предсказан на основании генетического анализа (Голубовский, Захаров, 1979; Golubovsky, 1980). 20 лет спустя гипотеза нашло полное молекулярное подтверждение. Обнаружена инсерция транспозона hobo в первый интрон гена singed и вызванные этим транспозоном внутрилокусные перестройки при переходах норма -- двойной мутант -- норма и т, д. (О'Hare, et al., 1998).

Все белки ферменты, с которыми работают генные инженеры -- рестриктазы, лигазы, полимеразы, эндо- и экзонулеазы и прочие -- все до одного выделены из живых организмов. Все это созданные самой природой инструменты для перестроек генома, перетосовок генов, собирания модулей и создания новых генных конструкций. Полностью оправдалось предвидение. МакКлинток, что клетки имеют системы для реорганизации своего генома в ответ на стрессовые условия, вызов среды (McClintock, 1978, 1984). В продолжение этой идеи, совокупность клеточных механизмов структурно-функциональной реорганизации генома было предложено удачно именовать как "natural genetic engineering" -- или природная генетическая инженерия (Shapiro J., 1992, 1995). Возможно, отдельные звенья этих запрограммированных геномных ответов на стресс перекрываются с теми, которые активируются при SOS-ответе или тепловом шоке. Конкретные примеры действия таких механизмов у прокариот и эукариот собраны в специальном томе статей, написанных крупными современными генетиками к 90-летию Б. МакКлинток (The Dynamic genome..., 1991).

1.2 Адаптивные преобразования генома в ответ на вызов среды

В теории эволюции и в генетике всегда была дискуссионной проблема, связан ли тип возникающих наследственных изменений с направлением отбора. Согласно традиционным представлениям СТЭ, наследственные изменения происходят в разных направлениях, и лишь затем подхватываются отбором порознь или в комбинациях. К этим вопросам примыкает и старая проблема о наследовании приобретенных признаков.

До конца 80-х годов считалось, что генетики Лурия и Дельбрюк, ставшие впоследствии нобелевскими лауреатами, на основе так называемого флюктуационного теста, сделали решающий или круциальный эксперимент, experimentum crucis, в этой области. Они изучали мутации устойчивости бактерий к фагу лямбда и показали, что мутации устойчивости к смертельному фагу-пожирателю бактерий возникают спонтанно и с определенной частотой, независимо от контакта с фагом, и лишь затем селектируются. Особенно наглядным и убедительным оказался метод реплик, изобретенный супругами Ледерберг, когда с помощью бархатной материи получали точные копии -- отпечатки опытного посева бактерий на чашке Петри. Оказалось, что, расположение устойчивых к фагу колоний было одинаковым как на чашках, где высевался фаг, так и на свободных от него чашках-копиях. Такой же результат был получен при поиске ауксотрофных (дефектных по какому-либо метаболиту) мутантов.

Эти эксперименты дали повод полагать, что бактериология перестала быть "последним оплотом ламаркизма" и что во всех остальных случаях у других организмов отбор также не приводит к появлению адаптивных наследственных изменений, а лишь селектирует их. Опыты казались необычайно убедительными и наглядными. Говоря юридически, это была правда, но не полная. Ирония судьбы состояла в том, что авторам повезло. Они работали с фагом Т1, который является вирулентным и не обладает способностью к лизогении, т. е. способностью внедряться в хромосому бактерии-хозяина и делать эту бактерию и всю дочернюю колонию устойчивой к заражению. Если бы С. Лурия и М. Дельбрюк работали с умеренным фагом лямбда, то они вынуждены были бы сделать вывод, что бактерии приобретают устойчивость к фагу именно после контакта с ним. Отчасти по этой причине авторы американской школы генетиков скептически встретили теорию лизогении, сформулированную Андрэ Львовым в 1953 году (Стент, Кэлинджер, 1981, с. 143).

Открытия в области подвижной генетики показали, что клетка как целостная система способна адаптивно перестраивать свой геном в процессе отбора. Она способна ответить на вызов среды активным генетическим поиском, а не пассивно ждать случайного возникновения мутации, которая будет угодна отбирающей среде. Понятием генетический поиск было предложено "называть те чрезвычайные режимы работы генетической системы, когда в ней изготавливаются новые тексты ДНК" (Чайковский, 1991, с. 96). Это понятие исходят из целостных свойств клетки, ее реакцией на стресс. Поиск может включать не только создание новых текстов, но 1) изменение в количественном составе и топографии элементов ОК и ФК и 2) создание новых наследуемых эпигенных систем регуляции. Именно так можно, к примеру, трактовать данные по возникновению устойчивости клеток и организмов к ядам и агентам-цитостатикам, блокирующим клеточное деление, за счет умножения или амплификации соответствующих генов устойчивости.

Некоторые общие принципы амплификационной перестройки генома при селекции на устойчивость таковы (Восток, Тайлер-Смит, 1986; Хесин, 1984):

а) возникновение устойчивости связано с умножением числа копий или амплификацией специфического гена -- устойчивости;

б) ген устойчивости амплифицируется не один, а в составе прилегающих сегментов хромосомы разного размера, до нескольких миллионов оснований ДНК; такого рода сегмент называют ампликон (King, Stansfield, 1997).

в) амплифицированные сегменты (ампликоны) принимают разные структурные воплощения, когда в исходной хромосоме возникают гомогенно-окрашенные добавочные участки, до мини-хромосом и внеядерных цитоплазматических плазмид;

г) внеядерные амплифицированные фрагменты способны вторично встраиваться в исходную или другие хромосомы.

Принципиальная схема событий, происходящих при этом в случае амплификации, показана на рис. 5, где в обобщенной форме показаны результаты отбора у одноклеточного паразитического жгутиконосца Leichmama tropica на устойчивость к метатрексату, препарату-цитостатику (Coderre, et al., 1983). Этот ингибитор клеточного деления широко применяется в медицине для остановки роста злокачественных клеток. Ген дигидрофолатредуктазы (ДГФР) инактивирует метатрексат. В случае амплификации гена ДГФР повышение устойчивости происходит за счет адаптивного преобразования генома и непосредственно связано с селективным агентом.

Отметим ряд принципиальных моментов феномена амплификации, установленных в опытах с одноклеточным жгутиконосцем лейшманией (работа проводилась в Стэнфордском университете в США, в лаборатории R. Т. Schimke, открывшем адаптивную селективную амплификацию). Итоги опытов схематически показаны на рис. 5:

Рис. 5. Неканонические наследственные изменения, связанные с амплификацией генов под действием отбора к цитостатикам.

1). Устойчивость клеток к яду или цитостатику возрастает ступенчато и при этом пропорционально увеличивается доля клеток, имеющих ампликоны с геном устойчивости. Когда устойчивость к метатрексату у лейшмании повысилась в 1000 раз, амшшфицированные внехромосомные сегменты составили до 10% ДНК в клетке. Этот феномен можно трактовать как образование пула факультативных элементов из начального облигатного или переход ОК -- ФК. Произошла адаптивная перестройка генома в ходе отбора.

2). Если отбор продолжается достаточно долго, то часть амплифицированных в цитоплазме копий встраивается в исходную хромосому и после прекращения отбора достигается стабильный повышенный уровень устойчивости.

3). После удаления из среды ингибитора деления клеток число умноженных копий экстрахромосомных сегментов в ряду поколений постепенно снижается и одновременно падает устойчивость. Такое постепенное изменение выражения признаков в ряду поколений в сторону нормы по существу есть феномен длительной модификации.

4). При повторном отборе часть сохранившихся экстрахромосомных копий обеспечивает быструю автономную репликацию, и устойчивость достигается гораздо быстрее, чем в начале опыта. Возникает своеобразная ампликонная клеточная память о прошедшем отборе.

Таким образом, в этом случае адаптация основана на реорганизации генома в ходе отбора. Ситуация и вывод принципиально иные, чем в случае классических опытов С. Лурия и М. Дельбрюка, где геном клеток до отбора к летальному фагу и после отбора не отличался. В данном случае происходит совсем иное. Сначала за счет факультативной репликации появляется множество линейных и кольцевых дополнительных эстрахромосомных ампликонов, включающих ген устойчивости. Затем с помощью "незаконной" рекомбинации происходит умножение копий данного гена в хромосоме.

Если мысленно применить к процедуре метод реплик, то оказывается, во-первых, что именно контакт с селективным фактором привел к преобразованию генома и характер этого преобразования коррелирован с интенсивностью и направлением отбора. Во-вторых, дочерние клетки устойчивых клонов отличаются от исходных и друг друга в разных поколениях отбора по соотношению облигатных и факультативных элементов генома (Corderre, et al, 1983). С точки зрения эволюции генома, важно, что дуплицированные гены устойчивости "расселяются" по геному, оказываясь при этом в соседстве с другими генами и подпадая под разные системы регуляции (Босток, Тайлер-Смит К., 1986).

1.3 Дискуссия об адаптивных или отбор-зависимых мутациях

Уже упоминалось, что С. Лурия и М. Дельбрюку "повезло", что они работали с нелизогенным фагом Т1, который во всех случаях не оставляет бактерии выбора: либо выжить, либо умереть. Все или ничего. Но это счастливое везение оказалось и слабостью. Ибо в условиях, близких к паранекротическим, например, при метаболическом голоде, когда есть возможность выживания, характер возникновения мутаций оказался иной.

В 1988 г. в журнале "Nature" была опубликована статья Дж. Кэйрнса с соавт. о возникновении отбор-зависимых "направленных мутаций" у бактерии Е. coli (Cairns, Overbaugh, Miller, 1988; Cairns, 1988). Брали бактерии, несущие мутации в гене lacZ лактозного оперона, неспособные расщеплять дисахарид лактозу. Но эти мутанты могли делиться на среде с глюкозой, откуда их через 1-2 дня роста переносили на селективную среду, где был только один источник углеводов -- лактоза. Отобрав сперва lac-плюс реверсов, которые, как и ожидалось, возникли еще в ходе "глюкозных" делений, нерастущие клетки оставляли в условиях углеводного голодания. Сначала мутанты отмирали. Но спустя неделю и более наблюдался новый рост за счет вспышки реверсий именно в гене lacZ. Как будто клетки в условиях жесткого стресса не делясь(!), вели генетический поиск и адаптивно меняли свой геном.

Вслед за тем появилась серия работ Барри Холла (Hall, 1990, 1992) на другой генетической системе. Бактерии, мутантные по гену утилизации триптофана, помещались на среду, лишенную триптофана, и оценивалась частота реверсий к норме. Частота реверсий повышалась именно в условиях триптофанового голодания, т. е. когда реверсии были адаптивными, нежели при выращивании бактерий на полной среде, когда реверсии были нейтральны. Не сами условия голодания были причиной этого феномена, ибо на среде с голоданием по цистеину частота реверсий к trp+ не отличалась от нормы.

В следующей серии опытов Б. Холл взял уже двойных ауксотрофных по триптофану мутантов, несущих одновременно мутации в генах trpA и trpB, и вновь поместил бактерии на среду, лишенную триптофана. Выжить могли только особи, у которых одновременно возникли реверсии в двух триптофановых генах. И такие особи возникали с частотой в 100 миллионов раз выше, чем ожидалось при простом вероятностном совпадении мутаций в двух генах. Б. Холл предпочел называть этот феномен не "направленные", но "адаптивные мутации". Затем он показал, что адаптивные мутации возникают и у дрожжей, т. е. у эукариот (Hall, 1990; 1991; 1992).

Появились и другие подобные публикации, проанализированные в обзорных статьях (Foster, 1993; Lenski, Mittler, 1993). В случае гистидинового голодания возникновение мутации к his+ оценивалось четырьмя разными методами и было показано, что именно фактор гистидинового голодания вызывает адаптивные мутации. Причем, такие же реверсии у гистидинового локуса, расположенного на плазмиде, происходили гораздо чаще (Гизатулин, Лезин, Бабынин, 1995). Другой важный факт состоит в том, что в случае дефекта в генах, контролирующих гомологичную рекомбинацию (recА, recВ), или контролирующих перенос плазмид при конъюгации бактерий, феномен адаптивных мутаций не наблюдался.

Появление статей Дж. Кэйрнса и Б. Холла немедленно вызвало бурную дискуссию. И первый резко критический отклик был от молекулярного генетика Ф. Шталя с характерным названием "Единорог в саду" (Stahl, 1988). Метафорический намек на воскрешение старых мифов об адаптивности наследственных изменений. Другие мнения участников дискуссии в следующих номерах "Nature" не были столь категоричными. После публикаций Б. Холла, подтвердивших данные Дж. Кэйрнса, Ф. Шталь вскоре значительно смягчил свою позицию, опубликовав вторую заметку "Ревизия единорога" (Stahl, 1992), где, признавал достоверность фактов, но предложил свою гипотезу, не выходящую за привычные рамки.

Определенным итогом первого раунда дискуссии можно считать появление на авансцене дебатов одного из ведущих исследователей в области подвижной генетики Джеймса Шапиро с продолжением метафоры о единороге: "Адаптивные мутации: кто же действительно находится в саду" (Shapiro J., 1995). Дж. Шапиро кратко обсудил две основных идеи. Во-первых, клетка содержит биохимические комплексы или системы "естественной генетической инженерии", которые способны реконструировать геном. Активность этих комплексов, как и любая клеточная функция, может резко меняться в зависимости от физиологии клетки.

Примером зависимости работы генетических систем от цитофизиологии может служить не только система SOS-репарации, но и ответ клеток на тепловой шок. В последнем случае цитофизиологи установили многоступенчатую систему адаптивного ответа, которая включает 1) прямое увеличение клеточной термостабильности (приобретенная толерантность) и 2) изменение белкового синтеза за счет включения белков теплового шока, или стрессовых белков (Александров, 1985; Alexandrov, 1994).

Далее, замечает Дж. Шапиро, мутабильность, или оценка частоты возникновения наследственных изменений всегда оценивается не для одной клетки, а для клеточной популяции. А в клеточной популяции клетки могут обмениваться между собой наследственной информацией. Возможен межклеточный горизонтальный перенос с помощью вирусов или передачи сегментов ДНК, и этот перенос усиливается в стрессовых условиях. Подобная идея уже высказывалась в книге В.А. Кордюма (1982).

Эти два механизма Дж. Шапиро считает достаточными для объяснения феномена адаптивных мутаций и возвращения его в русло обычной молекулярной генетики. Каковы же, на его взгляд, итоги дискуссии? Да, в саду не оказалось мифического единорога с хвостом льва. Однако вместо "слепого часовщика" (метафора Доукинса о механизме эволюции путем слепого естественного отбора) "мы нашли там генетического инженера с впечатляющим набором замысловатых молекулярных инструментов для реорганизации ДНК-молекулы" (Shapiro, 1995). Познание работы этих инструментов -- дело будущего.

В заметке "Третий путь" Дж. Шапиро (Shapiro, 1997) выступает в роли арбитра в споре последовательных неодарвинистов со сторонниками креационизма. Со стороны первых выступает зоолог и этолог Ричард Доукинз (или Докинз, R. Dawkins), автор известной талантливой книги "Эгоистичный ген", где он называет себя "страстным дарвинистом". Некоторые его подходы и терминология о том, что нетранслируемая ДНК может рассматриваться как своекорыстный паразит, были подхвачены и развиты молекулярными биологами Ф. Криком и Оргелом в гипотезе эгоистичной ДНК (Докинз, 1993, с. 248). Докинз проводит интересные параллели между биологической и культурной эволюцией и вводит, по аналогии с геном удобный эвристичный термин "мим" для обозначения наследуемых единиц культурных стереотипов, а также термин "мимофонд", по аналогии с термином А. С. Серебровского генофондом.

Сделаем отвлечение, чтобы на примере Доукинза еще раз критически проиллюстрировать методологию сторонников неодарвинизма или СТЭ, которая имплицитно (неявно) доминирует во многих генетико-эволюционных построениях (см. также гл. 2). Для Доукинза нет решительно никаких преград для объяснения любых особенностей морфологии и поведения организмов любого уровня путем селекционно-адаптивного дарвиновского толкования. Так, в главе о половом отборе он делает попытку ответить на вопрос, почему человек утратил приапову кость или бакулум, "ведь у многих млекопитающих в пенисе и в самом деле имеется бакулум -- кость, придающая ему жесткость и помогающая поддерживать эрекцию,... она есть даже у ближайших родичей человека -- шимпанзе, хотя она у них очень мала". Вот объяснительная гипотеза Доукинза: "Совершенствуя под действием естественного отбора свои диагностические способности, самки могут собирать по крупицам всевозможные данные о состоянии здоровья самца и судят о его способности справляться со стрессовыми ситуациями по напряженности и положению пениса. Однако, наличие кости помешало бы этому! Не нужно быть особенно сильным или выносливым, чтобы иметь кость в пенисе; это доступно всякому. Таким образом, селективное давление со стороны женщин привело к утрате мужчинами бакулума, потому что только по-настоящему здоровые мужчины способны на действительно стойкую эрекцию, позволяющую женщинам поставить без помех правильный диагноз".

Огрехи подобного рода чисто селекционистского толкования состоят в том, что гипотезы изобретаются "пост-фактум" и по всякому случаю новые, исходя из убежденной веры во всемогущество отбора и адаптивности любых различий между видами. Ведь если бы у мужчин сохранилась приапова кость, Доукинз столь же остроумно на основе селектогенеза истолковал нам, почему это так и есть.

Дж. Шапиро в своем комментарии замечает, что уже на уровне клетки за последние десятилетия была открыта такая "непредвиденная сфера сложности и координации, которая более совместима с компьютерной технологией, нежели с механизированным подходом, доминировавшим во время создания неодарвинистского современного синтеза. Можно назвать, по крайней мере, четыре группы открытий, изменивших понимание клеточных биологических процессов" (Shapiro, 1997). Они обсуждаются или упоминаются в разных главах этой книги, но имеет смысл суммировать их здесь.

1. Организация генома. Генетические локусы у эукариот устроены по модульному принципу, представляя собой конструкты из регуляторных и кодирующих модулей, общих для всего генома; это дает возможность быстрой сборки новых конструктов и создает мощные возможности регуляции генных ансамблей. Локусы организованы в иерархические сети, во главе с главным геном-переключателем (как в случае регуляции пола или развития глаза), причем многие из соподчиненных генов интегрированы в разные сети, они функционируют в разные периоды развития и влияют на множество признаков фенотипа. Селектогенные истолкования вплоть до 70-х годов в терминах случайных мутаций и "слепого естественного отбора" (терминология Доукинза), не приемлемы более, ибо молекулярные основы клеточной генетической изменчивости совсем иные.

2. Репаративные возможности клетки. В клетке есть эшелонированная система репараций на уровне репликации, транскрипции и трансляции (разделы 4.3 и 5.1). Клетки вовсе не пассивные жертвы случайных физико-химических воздействий.

3. Мобильные генетические элементы и природная генетическая инженерия (см. разделы 4-5, 4.7). Работа иммунной системы построена на непрерывном конструировании новых вариантов молекул иммуноглобулинов на основе действия природных биотехнологических систем (нуклеазы, лигазы, обратные транскриптазы, полимеразы и т. д). Эти же системы используют мобильные элементы для создания новых наследуемых конструктов. При этом генетические изменения могут быть массовыми и упорядоченными. Открытие того, что реорганизация генома есть один из основных биологических процессов уходит корнями в пионерские работы Барбары Маклинток, выполненные на кукурузе с конца 40-х до 60-х годов. Именно она, подчеркивает Дж. Шапиро, впервые связала эти генетические события с регуляцией экспрессии генов в разных онтогенетических программах у растений. Теперь мы можем оценить ее выдающуюся мудрость и предвидение, ибо подобно всем клеточным функциям, природные генно-инженерные системы регулируются системами с обратной связью, они до поры до времени пребывают в неактивном состоянии, но приводятся в действие в ключевые периоды или во время стресса.

4. Клеточный информационный процессинг. Возможно, одно из самых важных непредвиденных открытий в области биологии клетки состоит в том, что клетка непрерывно собирает и анализирует информацию о ее внутреннем состоянии и внешней среде, принимая решение о росте, движении и дифференциации. Особенно показательны механизмы контроля клеточного деления, что лежит в основе роста и развития. Процесс митоза универсален у высших организмов и включает три последовательных этапа: G1 (подготовка к делению), S-фаза, репликация хромосом и G2, завершение деления клетки. Анализ генного контроля этих фаз привел к открытию особых контрольных точек или check points, в которых клетка проверяет, произошла ли репарация нарушений в структуре ДНК на предыдущем этапе или нет. До тех пор, пока не будут исправлены все неточности или неисправности одного этапа, последующий этап не запускается. Если же ошибки не удалось исправить, то делается другой выбор: запускается генетически запрограммированная система клеточной смерти или апоптоза (Murray, Hunt 1993). Клетка действует целенаправленно, подобно компьютеру, когда при его запуске шаг за шагом проверяется нормальная работа основных программ, и в случае неисправности работа компьютера останавливается.

2. Ревизия проблемы наследования приобретенных признаков

"История биологии не знает более выразительного примера многовекового обсуждения проблемы, чем дискуссия о наследовании или о ненаследовании приобретенных признаков", -- эти слова стоят в начале обстоятельной сводки Л.Я. Бляхера (1971), посвященной данной проблеме. В истории науки, пожалуй, можно вспомнить аналогичную ситуацию с попытками превращения химических элементов. Алхимики на протяжении нескольких веков верили в эту возможность, затем химия утвердилась в постулате неизменности химических элементов.

Во времена Линнея считали неизменными виды. В такой же степени Д. И. Менделеев отказывался верить в возможность превращения элементов, хотя в пользу этого появились первые факты. Ныне в атомной физике и химии исследования по превращения элементов и анализ их эволюции -- классические проблемы. Кто же оказался прав в многовековом споре? Можно сказать, что на уровне химических взаимодействий действительно не происходит превращения элементов, а на атомном уровне -- оно правило.

Напрашивается аналогия и с проблемой наследования приобретенных признаков. Если вновь возникающие наследственные изменения сводить только к мутациям, вызванным изменениями ДНК, тогда проблему можно считать "закрытой" (Берг Р.Л., 1993, с. 259).

И тем не менее, проблема должна быть пересмотрена, ибо генетическая информация, как было показано выше, записана не только в хромосомной ДНК. Существуют не связанные с текстом ДНК наднуклеиновые, динамические способы кодирования, хранения и передачи информации. Геном надо рассматривать как популяцию облигатных и факультативных ДНК и РНК-носителей. Помимо мутационной формы наследственных изменений есть вариационная, связанная с факультативными элементами, и эпигенетическая.

Поэтому следует считать вполне закономерным, что вышедший в конце 1991 г. международный ежегодник по генетике открывается статьей Отто Ландмана "Наследование приобретенных признаков" (Landman, 1991), посвященной памяти Трэси Соннеборна (Т. Sonneborn). Посвящение не случайно. С именем Т. Соннеборна связан расцвет генетики простейших и серия открытий, не укладывающихся в рамки хромосомной теории наследственности. Среди них открытие и изучение у парамеций цитоплазматических киллер-факторов, неменделевской генетики типов спаривания и поверхностных антигенов, кортикальной наследственности (Beale, 1982).

О.Е. Ландман проанализировал 30 самых распространенных учебников по генетике, опубликованных после 1962 г., т. е. за 30-летний период, и только в 9 из них нашел упоминание о наследовании приобретенных признаков (сокращенно НЛП). Как одно их типичных, О.Е. Ландман цитирует высказывание эволюциониста-ботаника Г.Л. Стеббинса из статьи 1982 г.: "Гипотеза Ламарка о наследовании приобретенных признаков была отвергнута, ибо не существует и нельзя вообразить никаких молекулярных механизмов, которые сделали бы такое наследование возможным". В спокойной манере Ландман суммирует уже давно полученные в генетике факты, показывая, что "наследование приобретенных признаков вполне совместимо с современной концепцией молекулярной генетики" (Landman, 1991).

Прежде всего каковы операциональные рамки явления, о каких признаках идет речь? Согласно Л. Бляхеру (1971) "приобретенными признаками следует назвать такие изменения организма, которые появились у него на каком-то этапе его индивидуального развития под влиянием измененных условий существования, действовавших непосредственно или посредством измененной функции".

Это определение следует дополнить указанием на то, что после применения воздействия и возврата в первоначальные условия среды, все или большая часть организмов (или культуры клеток) проявляют новые признаки и передают их следующему поколению. Это важное дополнение, имеющееся у О. Ландмана, позволяет не включать в рамки НПП феномен ферментной индукции у микроорганизмов, блестяще истолкованный Ф. Жакобом и Ж. Моно в рамках концепции оперона и генетической регуляции (Jacob, Monod, 1961).

В последнем случае ситуация такова. В ответ, например, на добавление лактозы индуцируется новый признак -- появляется фермент галактозидаза, а когда лактозу убирают, новый признак -- индуцированный фермент -- исчезает. Этот адаптивный процесс следует отнести к рамкам онтогенетической регуляции генов. Ж. Моно назвал его ферментативной индукцией. О. Ландман детально рассматривает около 10 экспериментальных систем, где экспериментально установлен феномен наследования приобретенных признаков. Четыре разных механизма приводят к НПП:

1) кортикальная наследственность у инфузорий;

2) наследование альтернативных состояний гена без изменений ДНК, т. е. на эпигенетическом уровне;

3) наследование ДНК -- модификаций, т. е. клонально передаваемых изменений в метилировании ДНК;

4) индуцированная утрата либо приобретение "несущественных" носителей нуклеиновых кислот, т. е. в рамках принятой здесь концептуальной схемы, изменений, связанных с факультативными элементами генотипа.

Статья О. Ландмана делает нас как бы свидетелями, соучастниками смены постулата в генетике, казавшегося неколебимым, как скала. Статья написана спокойно, без ажиотажа и новых сногсшибательных фактов. Просто факты и данные, полученные еще 40 лет назад, а также сравнительно недавно, сводятся в систему и им дается ясное толкование на основе определенных молекулярно-цитологических механизмов. Вспоминается высказывание У. Теккерея: "От писателя более всего требуется проявить двоякого рода способности: представить новые вещи как хорошо знакомые, а всем известное изобразить как нечто новое".

2.1 Факультативные элементы и наследование приобретенных признаков

Первый пример связан с поведением вируса "сигма", второй с мобильными элементами типа "I", ответственными за "I-R''-систему гибридного дисгенеза.

Исследования взаимодействия факультативного элемента -- вируса "сигма" с геномом дрозофилы были начаты более 50 лет назад. Еще в 1937 г. французский генетик Ф. Леритье обнаружил мутацию мух, вызывающую их гибель в атмосфере СО2. Мутация наследовалась не по Менделю, а причудливым образом: через цитоплазму, но не только по материнской линии. В небольшом проценте наблюдалась регулярная передача чувствительности и через самцов. Чувствительность можно было передать и путем инъекции гемолимфы. В этих случаях признак наследовался не устойчиво, не стабильно. Во время второй мировой войны исследования прекратились и линия была утрачена. Эту утрату Ф. Леритье горько переживал, и сравнивал даже впоследствии с утратой счастья. Но затем нашли, что одна отводка была послана в США, и исследования были возобновлены. К большому удивлению вскоре выяснилось, что в природных популяциях частота встречаемости носителей этого признака составляет 20-50%.

Чувствительность к углекислому газу оказалась связана с размножением в половых и соматических клетках РНК-содержащего пулевидного рабдовируса "сигма", сходного по фенотипу и ряду свойств с вирусом бешенства у млекопитающих. Оогонии у самок стабилизированной линии содержат 10-40 вирусных частиц, а зрелые ооциты до 1-10 млн. частиц (Bran, Plus, 1980).