Образование мутаций

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБРАЗОВАНИЕ МУТАЦИЙ

Если, как утверждал Дарвин, адаптация живых организмов обусловлена естественным отбором, а не телеологической направленностью самого процесса изменчивости, то для того, чтобы обеспечить процесс отбора большим разнообразием, наследуемые вариации должны почти при всех условиях происходить во многих направлениях. Это, однако, в определенной степени противоречит широко распространенному мнению, отчасти поддержанному и Дарвином, что под влиянием данных внешних условий возникают, как правило, только вполне определенные наследуемые вариации. Действительно, при этом мы снова встречаемся с той же трудностью: как удается возникнуть «соответствующим» вариациям (то есть адаптивным вариациям) в ответ на «соответствующие» условия (то есть условия, к которым эти вариации адаптированы). Более того, в этом вопросе нам не помогает и представление де Фриза о мутациях. В соответствии с этой точкой зрения существуют внезапные скачки, приводящие к полному превращению одного «элементарного вида» в другой с радикальным изменением многих признаков сразу, причем число разных, альтернативных скачков относительно невелико. Очевидно, что нельзя объяснить, как посредством таких резких скачков организмы приобрели столь рациональную внутреннюю и внешнюю организацию, или, иными словами, оказались столь полно адаптированными.

Прежние селекционеры, мыслившие в терминах химических реакций на макроскопическом уровне, если им вообще приходилось мыслить на химическом уровне, слабо понимали ультрамикроскопическую случайность процесса, вызывающего наследуемые вариации. Первые исследователи мутаций, кроме того, не увидели качественной и количественной множественности мутаций. Однако скоро результаты опытов Бауэра на Antirrhinum и Моргана на дрозофиле, а также разрозненные наблюдения на других видах показали существование многочисленных менделирующих мутаций, многие из которых вызывали небольшие изменения. Эти мутации происходили в разнообразных направлениях и для них не было обнаружено заметной связи между типом мутации, характером внешних условий и состоянием организма, при которых возникла эта мутация. Эти наблюдения лучше согласуются со статистическим представлением о процессе эволюции, основанном на случайностях. В каком, однако, смысле можно рассматривать события случайными. Возможно, они являются выражением скрытых сил, действующих более детерминированно. Короче говоря, было более чем когда-либо очевидно, что назрела необходимость дальнейшего изучения характера возникновения мутаций.

Если процесс возникновения мутации действительно не телеологичен, то между характером внешних условий и характером изменения не должно быть никакой связи и, что самое главное, никакой адаптивной связи. Если мутации действительно столь многочисленны и столь разнообразны, как этого требует теория естественного отбора, основная масса изменений должна быть вредной, точно так же, как произвольное изменение в сложном аппарате, сделанное вслепую, обычно вредно отражается на его работе. Многие из самых больших изменений должны быть даже полностью несовместимы с его работой или, как мы говорим, должны быть легальными. Таким образом, как это ни странно выглядит на первый взгляд, следует ожидать, что в случае правильности теории естественного отбора большинство мутаций должно быть вредными. Следует еще ожидать, что эти в основном вредные изменения должны быть очень разнообразными по своей генетической природе.

ЧАСТОТА МУТАЦИЙ

Для того, чтобы получить данные в этом направлении, необходимо выработать специальные генетические методы, приспособленные для обнаружения мутаций, которые обычно ускользают от наблюдения. К ним относятся, во-первых, летали, во-вторых, изменения малые, но все же заметные, и, в-третьих, изменения, внешне незаметные, но в большей или меньшей степени, неблагоприятно влияющие на жизнеспособность. Объяснение этих методов увело бы нас сейчас слишком в сторону. Достаточно сказать, что в них используется принцип, состоящий в том, что для начала хромосома, как мы говорим, «маркируется» одним или несколькими известными мутантными генами с заметными видимыми эффектами, для того чтобы отличить ее от другой гомологичной хромосомы. Следует ожидать, что при соответствующем размножении особи с такими отличающимися хромосомами образуется две группы заметным образом отличающихся потомков, причем в определенном соотношении. Если, однако, в одной из хромосом появится летальная мутация, ее возникновение будет отмечено отсутствием соответствующей ожидаемой группы потомков. Аналогично, мутантный ген с незаметным, но в какой-то мере вредным, хотя и не полностью летальным действием, будет обнаружен при уменьшении численности соответствующей группы потомков по сравнению с ожидаемой. Кроме того, при такой постановке опытов увеличивается вероятность обнаружения генов с очень небольшими видимыми эффектами. Действительно, малый эффект можно не заметить в одной особи, но в целой группе потомков легче обнаружить тенденцию в сторону отличий по какому-либо признаку от соответствующей группы потомков, возникшей от не мутанта.

В первых опытах такого рода, проведенных в 1918-1919 гг. Альтенбургом и мною, частично совместно, удалось получить четкие данные о том, что у Drozophila летальные мутации возникают гораздо чаще мутаций, дающих видимый эффект, и что среди последних мутации со слабым проявлением встречаются гораздо чаще мутации с четким заметным эффектом, которые используются в обычной генетической работе. Большинство мутаций как четко видимых, так и со слабым проявлением обладали пониженной жизнеспособностью. Исследование генетической природы полученных мутаций с использованием новых тогда фактов о сцеплении показало, что они очень разнообразны по месту своей локализации в хромосоме. Можно было подсчитать, что спонтанно должны возникать по крайней мере сотни, а то и тысячи разных типов мутаций. В работах, сделанных гораздо позже с использованием индуцированных мутаций, было показано (в независимых опытах автора этих строк и Керкиса, а также Тимофеева-Ресовского с сотрудниками, проведенными в 1934 г.), что «невидимые» мутации, которые за счет тех или иных физиологических изменений уменьшают жизнеспособность, не являясь полностью летальными, составляют наиболее многочисленную группу из всех обнаруженных до сих пор мутаций. Таких мутаций, по меньшей мере в 2-3 раза больше полных деталей. Кроме того, наверняка возникает еще столько же, если не больше, мутаций, эффект которых столь мал, что совсем не может быть обнаружен нашими сравнительно грубыми методами. Именно среди них вероятней всего обнаружить те редкие случаи, когда при данных условиях или в комбинациях с другими мутациями мутация обладает определенным адаптивным значением. Опыты Тимофеева-Ресовского показали, однако, что даже среди более заметных видимых мутаций встречается некоторое количество таких, которые в определенных комбинациях приводят к адаптивным преимуществам в лабораторных условиях.

Сам метод обнаружения по отсутствию целой группы потомков с определенным четким признаком позволяет выявлять летали более надежно, независимо от субъективных свойств исследователя, чем нечеткие, невидимые или просто вредные мутации. К счастью встречается довольно мало промежуточных случаев, когда мутация почти полностью, но не совсем детальна. Так как летальные мутации встречаются гораздо чаще ярко-выраженных видимых мутаций и могут быть объективно выявлены, оказалось возможным использовать летали в качестве меры частоты мутаций, несмотря на тот недостаток, что для обнаружения летали необходимо размножение, а не простое обследование особи, несущей мутацию. В ранее опубликованной работе мы (Альтенбург и автор этих строк) попытались не только найти количественное значение «нормальной» частоты мутаций, но и выяснить, влияют ли на частоту мутаций определенные условия, которые, как мы считали, представляют особый интерес. В конечном счете, мы намеревались использовать этот метод для исследования роли самых разнообразных условий. Условием, выбранным для первых опытов, была температура, и результат, подтвержденный впоследствии работами автора, свидетельствовал о том, что с увеличением температуры в нормальных для организма пределах частота мутаций увеличивалась так, как если бы мутация в основном представляла собой обычную химическую реакцию.

МУТАЦИИ КАК ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

В соответствии с этой точкой зрения единичная мутация соответствует индивидуальному молекулярному изменению: растянувшаяся же на тысячи лет серия мутаций в громадном числе идентичных генов популяции соответствует течению обычной химической реакции, происходящей среди громадного числа молекул, заключенных в лабораторную пробирку, и протекающей в течение долей секунд. Разница в скорости связана с тем, что индивидуальный ген в своем биологическом окружении гораздо стабильнее обычной химической молекулы при воздействии на нее различных реагентов. Таким образом, мутации, взятые в целом, должны подчиняться статистическим законам, приложимым к массовым реакциям, тогда как индивидуальная мутация соответствует изменению одной молекулы и должна подвергаться случайностям ультрамикроскопических или атомных событий. Появление же мутантной особи является грандиозным усилением этого явления. Этот принцип дает ключ к пониманию того факта, который иначе находится в противоречии с рациональной, научной, микроскопически детерминистской точкой зрения, согласно которой различия во внешних условиях или в состоянии живого существа не влияют, по-видимому, на возникновение мутаций, и наоборот, в нормальных и постоянных внешних условиях возникают мутации разного типа. Этот принцип согласуется также с тем фактом, обнаруженным нами примерно в то же время, что при возникновении мутации в данном гене другой идентичный ген, находящийся в той же клетке, обычно не изменяется, хотя он, конечно, находится в тех же самых макроскопических физико-химических условиях, что и мутировавший ген. По этой концепции мутации обычно возникают в результате субмикроскопических случайных событий, т.е. в результате «капризов» теплового движения, происходящего на молекулярном и субмолекулярном уровнях. Впоследствии Дельбрюк и Тимофеев-Ресовский в более подробной работе о влиянии температуры показали, что увеличение частоты мутаций с повышением температуры происходит быстрее, чем это происходило бы в случае обычной химической реакции в пробирке, причем в соответствии с тем, чего следовало ожидать для реакции с такой низкой абсолютной скоростью (т.е. с малой долей молекулярных изменений в единицу времени), которая вытекает из наблюдаемой частоты мутаций. Это количественное совпадение помогает подтвердить правильность всей концепции в целом.

Далее, вывод о немакроскопической природе индивидуальной мутации, столь отличающей ее от остальных макроскопически обнаружимых химических изменений, естественно привел к предположению, что некоторые «точечные эффекты», вызываемые излучениями высокой энергии типа рентгеновых лучей, могут вызвать также и изменения в генетическом материале. Поскольку мутацию вызывает даже такое относительно мягкое воздействие, как тепловое возбуждение, очевидно, что энергетически гораздо более сильное возбуждение, вызванное радиацией, также должно вызывать мутации. И действительно, наши исследования по применению рентгеновых лучей, проведенные с помощью таких же генетических методов, как и ранее поставленные исследования о роли температуры, показали, что радиация гораздо эффективнее простого увеличения температуры, поскольку за полчаса облучения в обработанных клетках можно получить раз в 100 больше мутаций, чем их возникнет спонтанно за целое поколение. Было обнаружено, что эти мутации также обычно возникают локально и случайно в единичном гене, не затрагивая в то же время идентичного гена, который может присутствовать поблизости в гомологичной хромосоме.

РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ

Кроме изменения индивидуальных генов радиация вызывает перегруппировки частей хромосом. Как показали наши последующие работы (в частности, с сотрудниками, особенно с Райхаудхьюри и Понтекорво), эти изменения возникают в первую очередь в результате разрывов хромосом, за которыми следует присоединение разорванных концов друг к другу, в результате чего они соединяются не в том порядке, как ранее. Два или несколько разрывов, участвующих в такой перестройке, могут располагаться далеко друг от друга и быть вызваны разными ударами и таким образом приводят к тому, что мы называем крупными структурными изменениями. Эти изменения бывают разного типа в зависимости от того, где именно произошли разрывы и какие именно образовавшиеся концы соединились друг с другом. Несмотря на то, что индивидуальные «удары» обладают, в общем, весьма локальным действием, не так уж редко в близлежащих точках происходят два разрыва, что равносильно одному локальному изменению (или, по крайней мере, одной локальной группе изменений), влияние, которого распространяется на определенное расстояние в обе стороны. Воссоединение в новом порядке разорванных концов, возникших в результате таких соседних разрывов, приводит к мелким изменениям последовательности генов. Как правило, маленькие участки, расположенные между двумя разрывами, теряются («нехватка»), но иногда они меняют ориентацию («инверсия») или даже попадают в совершенно другую область хромосомы, ставшую доступной в результате образования в ней независимого разрыва.

И ранние и последующие работы с сотрудниками (Оливер, Хансон и др.) четко показали, что частота генных мутаций прямо пропорциональна дозе облучения, независима от длины волны, от вида облучения, будь то рентгенов. С тех пор эти факты были подтверждены с большой точностью, особенно в работах Тимофеева-Ресовского с сотрудниками. В нашей сравнительно недавней работе с Райхаудхьюри эти принципы были распространены для лучей на столь малые дозы, как 400 рентген и столь малую интенсивность облучения, как 0,01 рентген в минуту. Эти данные, как мы думаем, неизбежно приводят к заключению, что пороговой дозы не существует и что индивидуальная мутация происходит в результате индивидуального «удара», вызывающего генетический эффект в непосредственной близи от него. Пока не решено, являются ли эти так называемые «удары» отдельными ионизациями или возбуждениями на более низких энергетических уровнях или напротив для них требуется скопление ионизации, которые встречаются на концах электронных треков и на их боковых ветвях (на эту возможность указали Ли и Фано). Но в любом случае они являются даже при микроскопическом рассмотрении тем, что мы называем «точечными мутациями», поскольку при них происходят изменения лишь на ультрамикроскопическом уровне. Возникновение или невозникновение этих мутаций в определенной точке является вероятностным процессом, причем этот термин употребляется в том же значении, что и в математической статистике.

Естественно, что вызывать мутации могут не только фотоны, но и другие агенты, способные давать аналогичные эффекты, что было показано сотрудниками Альтенбурга в Хаустоне для нейтронов (Нагаи и Лохер) и для лучей (Уард) и подтверждено Тимофеевым-Ресовским и его сотрудниками (Циммером и др.). Более того, как показал Альтенбург, на гены оказывают влияние даже еще меньшие квантовые изменения, вызванные ультрафиолетовыми лучами. Однако они вызывают относительно малое число перестроек участков хромосомы (Меллер и Маккензи) и даже проявляют тенденцию к подавлению таких перестроек, как было показано Свенсоном, а затем Кауфманом и Холлендером. Поскольку эффективные удары ультрафиолета представляют собой, скорее всего случайным образом разбросанные изменения отдельных атомов в пуринах и пиримидинах, входящих в состав хромосом, а не изменения в группе атомов, кажется вероятным, что, во всяком случае, для возникновения генных мутаций не нужны скопления ионизации. Однако мы не можем быть уверенными в этом до тех пор, пока не будет лучше известна связь между частотой мутаций и дозой ультрафиолетовых лучей.

ИНДУЦИРОВАННЫЕ И СПОНТАННЫЕ МУТАЦИИ

Ввиду того, что изменения генов, вызванные радиацией, наверняка имеют случайную природу, не предумышленны и не телеологичны в отношении ценности конечного результата для организма и его потомков, интересно сравнить их с так называемыми спонтанными, естественными мутациями. Действительно, радиационные мутации дают нам критерий того, какими должны быть на самом деле случайные изменения. Сейчас показано, что у дрозофилы мутации генов, индуцированные излучением (мы исключаем здесь обнаружимые хромосомные перестройки), во всех отношениях, по которым было проведено сравнение, походят на мутации, возникающие естественным путем в лаборатории или в природе. Они обычно происходят в одном гене, не затрагивая идентичного аллельного гена, расположенного поблизости. Они примерно также распределяются по хромосомам. Их эффект может быть как значительным, так и малым и у них наблюдается примерно такое же соотношение числа полностью летальных и так называемых видимых генных мутаций. Таким образом, нет данных о том, что мутации, индуцированные радиацией, более вредны. Если мы обратим свое внимание на конкретные гены, то обнаруживается, что в обоих случаях может возникнуть полная серия разных форм или аллелей этих генов, сходных, а во многих случаях практически идентичных друг другу. Действительно, если достаточно долго искать, под действием радиации можно получить точно такую же мутацию, что и любая естественная мутация. Более того, при всех проверенных условиях жизни организма эффект оказывается случайным как при облучении, так и без него, в последнем случае он обнаруживается, правда, с гораздо меньшей частотой. Не означает ли все это однозначным образом, что естественным мутациям действительно не свойственно давать именно адаптивные формы или даже различаться в целом в зависимости от естественных условий? Иными словами, мутацию нельзя описать как макроскопическое событие. Мутации должны возникать в результате ультрамикроскопических случайных событий молекулярного и субмолекулярного движения, т.е. индивидуальных квантовых переходов, вызванных тепловым возбуждением, если использовать этот термин в широком смысле. Чтобы отвергнуть этот вывод, остается единственная лазейка, а именно предположение, что спонтанные мутации вызываются естественной радиацией, источником которой являются радиоактивные вещества и космические лучи, но простой расчет (Мотт-Смита и автора в сотрудничестве с другими) показывает, что интенсивность этой радиации совершенно недостаточна для того, чтобы объяснить большую часть мутаций, возникающих у большинства организмов.

Но утверждение, что большинство естественных мутаций является результатом квантовых переходов, вызванных тепловым движением, и что, кроме того, для возникновения мутации необходимо достигнуть определенного энергетического уровня, не означает, как это, по-видимому, подразумевают некоторые авторы, что никакие физико-химические условия внутри и вне организма, кроме температуры, не оказывают влияния на частоту их возникновения. То, что такие обстоятельства могут играть заметную роль, было очевидно с самого начала, когда при исследовании спонтанной частоты мутаций было обнаружено (в 1921 г., опубликовано в 1928 г.), что в одной генетической линии частота мутаций раз в 10 больше, чем в другой. Позднее мы обнаружили, что на разных стадиях жизненного цикла одного и того же организма частота мутаций может сильно отличаться. И наконец работа Ауэрбах и Робсона показала, что горчичный газ и родственные вещества могут вызывать мутации с такой же высокой частотой, как и большие дозы рентгеновых лучей. Однако во всех этих случаях эффект также подвержен случайным колебаниям; каждое индивидуальное событие неконтролируемо и неадаптивно.

Следует еще отметить в связи с этим, что не при всех условиях гены одинаково подвержены мутационному действию даже рентгеновых лучей. Например, гены спирализованных хромосом спермиев изменяются легче генов, находящихся в более обычном состоянии «покоя». Мы уже упоминали о том, что ультрафиолетовые лучи, как показал Свенсон, кроме собственного мутационного действия, подавляют процесс разрывов хромосом или во всяком случае процесс воссоединения разорванных участков в новом, жизнеспособном порядке. В недавних же опытах Холлендера и Кауфмана было показано, что инфракрасные лучи обладают противоположным действием. Стадлер в своей замечательной работе по возникновению мутаций у злаков, начатой независимо от нас, получил данные, что на этом объекте рентгеновы лучи в применяемых дозах не вызывают заметного увеличения частоты генных мутаций, но индуцируют значительное количество разрывов хромосом, приводящих и к крупным и к мелким перестройкам участков хромосом. Либо у этого объекта гены более стабильны к действию рентгеновых лучей, чем к тепловому возбуждению, либо одновременно с генным изменением рентгеновы лучи вызывают разрыв или потерю. С другой стороны, генные мутации, подобные тем, которые спонтанно возникают у этих растений, вызываются более мягкими квантами ультрафиолетового излучения.

Мне кажется, что мы должны были ожидать таких вариаций эффективности. Они не затрагивают, вывода о случайной, квантовой природе события, которое обычно является началом генной мутации. Существование этих вариации позволяет надеяться, что дальнейшее их изучение поможет лучше понять природу мутационного процесса, а также генетического материала, подверженного изменению.

КОНТРОЛИРУЕМЫЕ МУТАЦИИ

Никто сейчас не может ответить на вопрос, можно ли найти такие специальные воздействия, подобные, например, специфическим антителам, которые могут вызвать изменение индивидуальных генов. Очевидно, следует продолжать поиски таких воздействий, а также способов увеличения контроля над микроскопическими и субмикроскопическими событиями. Однако пока нет никаких достоверных данных о том, чтобы нечто в этом духе было проделано искусственно или происходило естественно. Очевидно, что нельзя выработать единого метода контроля состояния гена, если он вообще возможен, без более глубокого, чем сейчас, знания тонкой химической структуры и функций самых сложных и разнообразных из существующих веществ, а именно нуклеопротеидов, белков вообще и ферментов в частности. Работы Самнера, Нортропа и Стэнли и других химиков, изучающих белки, дают указания в этом направлении, однако все согласятся, что здесь начинается длинная и запутанная система дорог.

Правда, известны некоторые случаи, когда определенные мутабильные гены изменяются в ответ на соответствующие условия. Такие случаи могут помочь пролить свет на структуру гена, но пока у нас нет никаких указаний, что изменения этих генов, которые в большинстве известных случаев являются ненормальными генами, имеют что-то общее с обычными естественными мутациями. Известно также, что у бактерий и у вирусов можно иногда индуцировать определенные типы наследственных изменений под воздействием определенных веществ, но в этих случаях всегда оказывается, что действующие вещества и вещества, наличие которых затем индуцируется, оказываются идентичными, так что можно подозревать, что они на самом деле определенным образом внедрились в клетки, и поэтому здесь мы не имеем дела с истинными специфическими индуцированными мутациями.

До сих пор у нас нет ни способов, ни перспектив индукции по желанию определенных мутаций в обычных организмах. Однако в качестве первого шага в этом направлении, если оно вообще возможно, можно рассматривать получение большого количества случайных мутаций. Пока мы не можем направлять процесс мутации, громадную роль играет селекция, и прогрессивное изменение наследственных свойств живого организма можно осуществить лишь путем максимально радикальной селекции возникающих мутаций, поскольку подавляющее большинство из них, не являясь адаптивными, обладает вредными свойствами. Для заметного прогресса обычно необходимо накопление значительного числа редких шагов в этом трудном селективном процессе. Большинство из них является индивидуальными маленькими шагами, но, как показали межвидовые и межродовые скрещивания, возможен ряд больших резких шагов, которые, по терминологии Хаксли, были «забуферены» небольшими изменениями, приготовившими организм к ним. Это накопление многих редких, как правило, незначительных изменений, является не только основным способом искусственного усовершенствования животных и растений, но даже в большей степени характерно для протекания естественной эволюции под влиянием естественного отбора. Таким образом теория Дарвина получает твердую основу и освобождается от представлений ламаркизма о направленной изменчивости, которые некогда обременяли ее.

Вероятно, что в природном состоянии у большинства видов частота мутаций не намного ниже (хотя и ниже), чем это для них было бы наиболее выгодно, принимая во внимание степень строгости естественного отбора у данного вида. Гораздо большая частота мутаций привела бы, по-видимому, к такой большой скорости генетических дегенеративных процессов, что естественный отбор не смог бы им противодействовать. Но в условиях искусственного разведения, когда селекция может быть более эффективной, повышенная частота мутаций в некоторых случаях допустима. Кроме того, в искусственных условия можно выращивать организмы с большими мутациями, до тех пор пока они не окажутся соответствующим образом забуферены. При этом можно получить практические результаты, при меняя рентгеновы или ультрафиолетовые лучи, а также другие воздействия, что наиболее ярко показал Густафссон для рентгеновых лучей. Это особенно справедливо для видов, у которых и в природных условиях имеет место интенсивный инбридинг, или ярко выраженная гаплоидная фаза, или гаплоидна значительная часть генотипа, поскольку при таких условиях многие спонтанные мутации, которые в противном случае могли бы накопляться в популяции, а затем выявиться при инбридинге, отсеваются до того, как их можно обнаружить. В результате этого естественная частота мутаций оказывается ниже.

До сих пор мы в основном рассматривали связь между возникновением генных мутаций и проблемой общего характера эволюции, в частности природой наследственных изменений. Исторически это был основной путь, по которому развивались подходы к искусственному получению мутаций. Однако с самого начала было очевидно, что, как мы уже однажды говорили, индукция мутаций может дать нам в руки чрезвычайно тонкие методы для последовательного анализа физиологического, эмбриологического и биохимического строения и функционирования живых существ. Работы с использованием спонтанных мутаций, такие, как, например, Бонневи, Грюнберга, Скотт-Монкрифа, Эфрусси и Бидла, уже сейчас показали, как много можно узнать о сложных процессах, посредством которых гены приводят к образованию организма, если внимательно прослеживать эффекты и взаимодействие эффектов всего одной или нескольких мутаций. Но генов тысячи, и было бы желательно выбирать их для исследования в определенном порядке, по мере того, как мы продвигаемся в нашем процессе анализа. По этим причинам мы считали, что будет часто выгодно искусственно получать мутации в больших количествах, чтобы затем иметь выбор и брать те гены, которые лучше подходят для последовательных этапов нашего анализа. Недавняя работа Бидла и сотрудников на нейроспоре и последовавшая затем аналогичная работа Мелина и Фрайса ярко показала приложимость этого метода для изучения путей биохимического синтеза аминокислот, витаминов, пуринов, пиримидинов и пр. И все же в известном смысле вся эта область в целом пока лишь слегка затронута и мы можем с уверенностью ожидать, что сочетание этого метода с методом меченых атомов и со всеми другими методами биохимии, физиологии и экспериментальной эмбриологии будет способствовать распутыванию того чрезвычайно сложного клубка процессов, из которых состоит живое существо. Однако у нас нет времени далее углубляться в этот предмет.

ХРОМОСОМНЫЙ АНАЛИЗ

Мы не можем избежать здесь краткого изложения другой стороны работы по искусственным мутациям, которая особенно интересна генетикам, а именно дальнейшего анализа свойств хромосом и их частей, проведенного главным образом в исследованиях, где эти части удалялись, добавлялись или перегруппировывались. Мы уже мимоходом отмечали, что при исследовании механизма таких структурных изменений сложилась сравнительно простая общая схема механизма их образования: сначала возникают разрывы хромосомы, а затем происходит соединение разорванных концов. Было с самого начала, очевидно, что с помощью таких перестроек хромосом можно получить дополнительные доказательства физической реальности карт сцепления. Это и было проделано (Меллер и Пайнтер). Далее оказалось возможным пролить некоторый свет на проблему крос-синговера, показав, например (Меллер, Стон и Офферманн), что в какое бы место хромосомы не была перенесена центромера, она оказывает сильное подавляющее действие на кроссинговер, причем степень этого подавления постепенно уменьшается с расстоянием от нее. Более того, это оказалось справедливым для любой точки, в которой нарушается непрерывность спаривания хромосом за счет гетерозиготности по структурному изменению. Такие исследования кроссинговера и сил конъюгации, влияющих на расщепление, могут быть еще успешно расширены.

Мы должны помнить, говоря о центромере и других явно выделенных участках хромосомы, что до тех пор, пока не изучено влияние удаления или перемещения этих участков, у нас нет никакого права считать их автономными локально определенными структурами, зависящими только от тех генов, которые находятся в области этих структур. Поэтому для того, чтобы сделать вывод, что центромера в большинстве случаев является такой автономной органеллой, зависящей только от гена или генов, находящихся в непосредственной близости от нее (но не во всех случаях в непосредственной близости, как недавно показал Роде для определенной линии кукурузы), понадобились исследования индуцированных инверсий, делеций и транслокаций хромосом. Аналогично удалось показать (несмотря на ряд утверждений противоположного характера, справедливость которых мы не можем здесь обсуждать), что свободный конец хромосомы или теломера образует у многих объектов локально детерминированную специфическую структуру.

При сочетании генетического и цитологического анализа различных разрывов и перестроек было обнаружено, что в хромосоме имеются четкие локально детерминированные области, обычно наиболее развитые около центромеры. Первоначально их называли «инертными», а сейчас обычно называют «гетерохроматиновыми» областями. Эти области были также независимо обнаружены в чисто цитологических исследованиях Хейтса. Было бы очень заманчиво обсудить здесь те замечательные особенности, которые выявились при цитогенетическом изучении этих областей (данные о повторении более или менее одинаковых частей, о стремлении участков, расположенных в разных местах, конъюгировать друг с другом, о четких цитологических различиях, в случае наличия или отсутствия такой конъюгации, о чрезвычайно высокой тенденции к структурным изменениям, о сильном влиянии некоторых генов, находящихся в этих областях, на расщепление и так далее), а затем перейти к обсуждению гипотез об эволюционном происхождении и функциях гетерохроматина. К сожалению, это увело бы нас слишком в сторону от темы. Однако мы должны указать на одно обстоятельство, пока еще не осознанное большинством исследователей. Существуют очень веские данные, что участки хромосом, известные под названием «гетерохроматина», в том виде, как они выявляются на стадии митоза у дрозофилы, являются просто большими непостоянными образованиями, состоящими из вспомогательного негенетического нуклеопротеида, образованного под влиянием одного или двух определенных генов из той дюжины или несколько большего числа генов, составляющих всю гетерохроматиновую область. Это доказывается генетическим анализом и видом хромосом в стадии покоя (например, в слюнных железах).И не эти бросающиеся в глаза негенетические блоки ответственны за остальные известные особенности гетерохроматина; функции же этих блоков пока не известны. Иными словами, так называемый «гетерохроматин», с которым имеют дело цитологи при изучении митотических хромосом, является совсем не тем, хотя и находится рядом с тем истинным гетерохроматином, который обладает вышеперечисленным набором свойств. Более того, удалось показать (Сеттон-Герш в сотрудничестве с автором, не опубликовано), что четко выраженные ядрышки, часто связанные с гетерохроматином, образуются под влиянием других автономных генов, расположенных в нем, но не тех, которые ответственны за блоки, видимые в митозе.

Одним из самых интересных открытий, сделанных при изучении хромосом дрозофилы, осуществивших перестройку в результате облучения, было выяснение универсальности явления, известного как «эффект положения». Этот эффект был впервые обнаружен Стертевантом для случая спонтанного мутанта, известного под названием полосковидные глаза (Ваг), однако до тех пор, пока нельзя было изучить большое количество перестроек, оставалось неясным, насколько общим является этот феномен. Термин «эффект положения» подразумевает, что работа гена в определенной степени зависит от других генов, лежащих по соседству с ним. Теперь имеются достоверные данные, что эффект положения представляет собой общее явление, распространяющееся на очень многие, если не все гены дрозофилы, и что их работу можно как качественно, так и количественно контролировать характером соседних генов. Некоторые гены при этом дают гораздо больший эффект, чем другие, и разные гены действуют в разных направлениях и в разной степени.

Возможно, что эффект положения обусловлен, как предположил Стертевант, взаимодействием генных продуктов в непосредственной близости от генов, их образующих. Для этого надо допустить, что эти продукты находятся там, в большей концентрации и в таких условиях сильнее взаимодействуют друг с другом, чем в разведенном состоянии. Однако мы предпочитаем другое объяснение, по которому действие гена зависит от его формы, и она в свою очередь изменяется от силы и природы сил синапсиса, действующих на область хромосомы, в которой находится этот ген. Эти силы могут слагаться из сил, действующих на ген со стороны других как аллельных, так и не аллельных генов (Меллер). Эти силы могут зависеть от уровня спирализации участка хромосомы и от других причин, которые в свою очередь частично зависят от сил синапсиса (Эфрусси и Сеттон). Эта гипотеза в любом варианте может объяснить, почему эффект положения гораздо больше распространен у дрозофилы, относительно которой известно, что сила синапсиса в значительной мере проявляется и в митотических клетках, по сравнению с другими изученными организмами, у которых эти силы либо гораздо слабее, либо вовсе отсутствуют в соматических клетках. Это объяснение также согласуется с тем, что, как обнаружил автор, в гетерохроматиновых областях имеется тенденция к образованию особенно сильного и выраженного эффекта положения, причем эффект изменяется в зависимости от полного количества гетерохроматина, присутствующего в клетке, а также от колебания ряда факторов, действующих в эмбриогенезе. Эти генетические наблюдения согласуются с цитологическим проявлением обнаруженного впервые Прокофьевой влияния гетерохроматина на растяжение, поведение при синапсисе и другие свойства находящегося по соседству эухроматина. Прокофьева показала, что эти эффекты подвержены сходным колебаниям, которые коррелируют с вариациями в фенотипически наблюдаемом эффекте положения. Недавние наблюдения Эфрусси и Сеттона, сделанные вслед за предположениями автора и Штерна, также, по-видимому, указывают на то же, поскольку они позволили обнаружить зависимость проявления эффекта положения в определенном участке хромосомы от расположения участков в гомологичной хромосоме. Если это объяснение, основанное на роли формы гена, окажется правильным, откроется возможность по-новому подойти к выяснению структуры и характера действия генов, при этом возможно удастся показать тесную связь этих свойств с нуклеопротеидным составом и свойствами гена.

Другое применение процесса разрывов и перестроек хромосом, вызванных радиацией, заключалось в изучении влияния добавления или утери небольших участков хромосом для выяснения связи между дозой гена и его выражением. Таким способом было обнаружено, что, во-первых, большинство обычных генов даже в единичной дозе почти полностью выражены, и, во-вторых, большинство мутантных генов дают, в конце концов, эффект, качественно сходный, но количественно менее выраженный, чем эффект их нормального аллеля. Доминирование нормального гена над своими мутантными аллелями при этом оказывается, как правило, частным случаем принципа, по которому одна доза нормального гена обычно дает почти такой же, хотя и несколько меньший эффект, что и две дозы. Это, в свою очередь, лучше всего объясняется допущением, что такие свойства возникли в результате длительного процесса отбора нормального гена и генов, влияющих на него, в сторону обеспечения стабильности выражения при действии факторов внешней среды и генетического окружения. Эти факторы могут количественно повлиять на действие гена, т.е. их действие аналогично изменению дозы. Это, однако, не значит, что отбор действовал исключительно в сторону создания доминантности нормального гена над своими аллелями, во-первых, потому, что не все мутантные гены ведут себя просто как ослабленные нормальные гены, и, во-вторых, потому, что те аллели, для которых проверка влияния дозы выявляет качественно новые эффекты по сравнению с нормальным геном, часто являются исключением из правила и не подвержены доминирующему действию своего нормального гена, что и следовало ожидать по нашей гипотезе.

Среди других результатов исследований дозы генов, проведенных с использованием фрагментов хромосом, возникших под действием радиации, следует обратить особое внимание на наблюдения, объединяемые под названием «дозовая компенсация». Было показано, что 1) при постоянной дозе практически всех генов Х-хромосомы, за исключением какого-либо одного гена, его выражение столь мало отличается в случае единичной и двойной дозы, что по соответствующему признаку обычно практически невозможно обнаружить никаких различий, однако 2) это невидимое различие оказалось столь важным для организма, что в процессе естественного отбора выработалась система модифицирующих генов, которые называются компенсаторами. Функция компенсаторов состоит в том, что они вызывают еще меньшую разницу в эффекте единичной и двойной дозы генов, которые в норме имеются у соответствующих полов, когда эти различия в дозе определенного гена одновременно сопровождаются различиями по остальным генам Х-хромосомы. По-видимому, у каждого гена выработалась своя система компенсаторов, причем их взаимодействие между собой очень сложно. Это позволяет посмотреть еще под одним углом зрения на «дотошность» естественного отбора, на чрезвычайно точную адаптивность признаков и на окончательный характер признаков, который обычно устанавливается в результате накопления многочисленных малых мутаций, связанных между собой чрезвычайно сложным функциональным взаимодействием. Это согласуется с утверждением, сделанным ранее, что эволюция идет за счет отбора многочисленных мелких случайных изменений.

Если сконцентрировать внимание на определенной четко ограниченной области хромосомы, то при сравнении разных индуцированных перестроек, которые все имеют точку разрыва в этой области, выявляется еще один факт, касающийся делимости хромосомы и генов. С помощью специальных генетических методов, в детали которых мы не можем здесь вдаваться, были получены данные, что разрывы в таких ограниченных участках имеют тенденцию возникать в специфических точках. Это указывает на то, что между этими точками лежат дискретные единицы или сегменты, я является доводом против предположения, по которому хромосома представляет с бой однородную непрерывную структуру. Это свидетельствует, что гены соответствуют физически реальным структурам и не являются просто удобными понятиями, произвольно выбранными генетиками. Таким способом оказалось возможным, кроме того, примерно оценить количество генов в хромосоме, а также их максимальные размеры. Эти оценки согласуются настолько близко, насколько этого вообще можно было ожидать, с теми оценками, которые были получены в предыдущих генетических работах с использованием совершенно других методов, хотя и не согласуются с оценками, основанными на гипотезе «чувствительного» объема.

ДУПЛИКАЦИИ И ЭВОЛЮЦИЯ

Другое наблюдение, сделанное при изучении перемещений небольших фрагментов в другое место хромосомы, вызванных облучением, заключается в том, что даже в том случае, когда у какой-либо особи определенный участок имеется и в исходном и в новом месте хромосомы, она часто оказывается жизнеспособной и дает потомство. Именно в работах такого типа был изучен эффект добавочных доз гена. В некоторых случаях можно даже получить линии, гомозиготные как по новому, так и по старому участку. Это приводит к мысли, что именно так в процессе эволюции происходит удвоение хромосомного материала. Когда при анализе ограниченной области Х-хромосомы, в которой находится локус так называемого «scute» эффекта, было обнаружено, что в действительности в нормальной Х-хромосоме имеется два очень близко расположенных гена, дающие близко связанные эффекты («achaete» и «scute»), стало очевидным, что это является, по всей вероятности, примером постулированного выше явления. Здесь, таким образом, мы видим, по-видимому, основной, если не единственный способ (если исключить гораздо более редкие явления полиплоидии и «тетрасомии»), с помощью которого в процессе эволюции увеличилось число генов. По забавному совпадению как раз в это время Бриджес занимался изучением хромосом слюнных желез и нашел прямые цитологические доказательства существования в нормальной хромосоме таких, как он их назвал, «повторений» и дал им аналогичную интерпретацию. За 12 лет, прошедших после этого, было обнаружено несколько других четких примеров такого же типа. Таким образом, увеличение числа генов, вызванное дупликациями небольших участков хромосомы, чаще всего рядом с исходным участком, необходимо рассматривать как один из основных процессов в эволюции, наряду с мутациями индивидуальных генов. Сам по себе этот процесс не играл бы существенной роли, но он приобретает большое значение, поскольку после дупликации возможны дальнейшие мутации, в результате чего первоначально идентичные гены в разных положениях начинают отличаться друг от друга. Вследствие этого увеличивается число разных генов и зародышевые клетки, а вместе с ними процесс эмбрионального развития и весь организм в целом могут стать более сложными.

В эволюции могут, конечно, происходить и такие перестройки хромосомы, которые не приводят к увеличению числа генов, но мало вероятно, чтобы они играли столь же важную роль. Но, вызывая такие изменения в лабораторных условиях, удалось многое узнать о том, какие бывают перестройки и каковы их свойства. При этом можно сделать ряд выводов о жизнеспособности и плодовитости разных типов перестроек при различных генетических условиях и о том, будут ли они обладать тенденцией к отсеву или к накоплению в популяции данного типа. Можно показать, что некоторые из них при определенных условиях могут иметь эволюционную ценность в отношении выживаемости либо способствуя процессу генетической изоляции либо как-либо иначе, например, влияя на гетерозис. Таким образом, можно было сделать ряд выводов, имеющих эволюционное значение, и которые были, затем подтверждены сравнением хромосомных различий, существующих в действительности у разных близких родов, подвидов и видов.

Вероятно, еще больший интерес будут представлять результаты изучения мутаций, происходящих в индивидуальных локусах. Мутации, индуцированные радиацией, возникают достаточно часто для того, чтобы их можно было использовать для изучения возможностей разных локусов, однако в этом направлении сделано пока очень мало. Аналогично, сравнение разных мутаций, возникающих в одном и том же локусе, может привести к очень важным результатам, особенно если учесть, что у разных аллелей, как было показано, возможны очень сложные взаимоотношения друг с другом, вплоть до того, что при скрещивании они могут приводить к восстановлению нормального типа. Вопрос о том, как может меняться ген в процессе последовательных мутаций, остается открытым. То же следует сказать о том, как меняется мутабильность гена в результате возникновения мутации в нем самом.

СОМАТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ РАДИАЦИИ

мутация радиация хромосомный дупликация

Чем дальше продвигалось изучение генетических последствий облучения, особенно разрывов и перестроек хромосом, тем больше укреплялось убеждение в том, что большая, если не основная часть соматических эффектов облучения, наблюдаемых врачами и исследователями в области эмбриологии, регенерации и общей биологии, являются вторичными по отношению к генетическим эффектам, возникшим в соматических клетках. Продуктивность такого подхода была недавно продемонстрирована в исследованиях Коллера, пользовавшегося усовершенствованными методами облучения раковых опухолей у млекопитающих. Это слишком обширная область, чтобы подробно обсуждать ее здесь, однако следует отметить, что анализ основывался в первую очередь на генетическом и цитологическом исследовании размножающихся клеток и их потомства. Здесь, таким образом, открывается возможность понимания механизмов, посредством которых радиация вызывает подавление роста, стерильность, некрозы, удаляет злокачественные опухоли; возможно, здесь приоткроется и путь к вскрытию механизмов возникновения подобных опухолей.

Во время войны появилось неожиданное подтверждение правильности вышеприведенного представления о природе соматических эффектов радиации. Дж.Г. Робсон, работая с горчичным газом в Эдинбурге, был поражен удивительным сходством между соматическими эффектами, вызываемыми этим агентом, рентгеновыми лучами и излучением радия. Поэтому его заинтересовало, не будет ли вызывать горчичный газ в принципе таких же генетических изменений, которые, как известно, вызывает радиация. Вслед за этим Ш. Ауэрбах провела обстоятельные эксперименты, работая совместно с Робсоном, и, как уже вскользь упоминалось ранее, ей удалось действительно показать, что это вещество вызывает мутации как в индивидуальных генах, так и за счет разрывов и перестроек хромосом, причем примерно такие же и примерно в том же количестве, как рентгеновы лучи и излучение радия. Другие вещества той же химической природы оказывали сходное действие. Это является первым бесспорным успехом попыток вызвать мутации химическими веществами. Тот факт, что это открытие было сделано непосредственно на основании вышеприведенных соображений, тогда как до этого столь много попыток вызвать мутации химическими веществами оказались безуспешными, по-видимому, является сильным доводом в пользу того, что все эти специфические соматические эффекты на самом деле являются следствием более глубоко лежащих эффектов, которые в том случае, когда они происходят в зародышевых клетках, становятся предметом анализа генетиков в их опытах по размножению. Однако существуют некоторые очень интересные различия между характером генетических эффектов облучения и указанных выше химических веществ, обсуждать которые мы не имеем здесь возможности, но которые дают право надеяться, что здесь можно продвинуть и генетический и соматический анализ.

Мы видели, что индукция мутаций под действием облучения является методом, которым можно пользоваться в разнообразных направлениях как для анализа зародышевой плазмы, так и организма, который в известном смысле представляет собой отросток зародышевой плазмы. Можно надеяться, что индукция мутаций в определенных случаях окажется практически полезной человеку при выведении улучшенных пород и сортов животных и растений. Что касается практического применения к самому человеку, то мы пока еще очень далеко отстоим от любого направленного отбора наших зародышевых клеток, хотя, как и большинство других видов, человек уже отягощен бесчисленным количеством нежелательных мутаций, от наличия которых не гарантирован любой индивидуум. Мы можем извлечь, однако, практический урок из понимания того факта, что громадное большинство мутаций не являются полезными. Поэтому необходимо всеми способами избегать их дальнейшего случайного возникновения. Поскольку мы можем смело утверждать на основании опытов с низшими организмами, что все виды излучения высокой энергии должны вызывать такие мутации у человека, радиологи должны - хотя в большинстве стран пока не особенно заметны усилия в этом направлении - настаивать на соблюдении простых предосторожностей по предохранению гонад в тех случаях, когда они подвергаются воздействию таких облучений, будь то в промышленности или в медицинской практике. Кроме того, с увеличением применения атомной энергии, пусть даже в мирных целях, приобретает громадное значение проблема эффективной защиты зародышевой плазмы человека - субстанции первостепенной важности, временными хранителями которой является каждый из нас, - от влияния этого дополнительного и мощного источника постоянного загрязнения окружающей нас среды.

Размещено на Allbest.ru