4.1. О семантической динамике понятий
Примеры из генетики
Семантическое поле понятий непрерывно меняется по мере изучения определенного явления или феномена. "Самый факт описания превращает динамический объект в статическую модель… В процессе структурного описания объект не только упрощается, но доорганизуется, становится более жестко организованным, чем на самом деле", — так определил трудность и опасность научного описания философ и культуролог Ю. М. Лотман (цит. по: Баранцев, 1994). В рамках философии науки и гносеологии рождается семиодинамика — ветвь знаний, которая анализирует сложный процесс динамики понятий и представлений и их соотнесения с реальностью (см. Семиодинамика, 1994).
Достижение полноты описания явления основано на равноправии и единстве трех способов познания: рациональном, сенситивном и интуитивном. Сознательное стремление использовать все эти три стороны мышления человека для постижения целою символизировано в системной триаде "субстанция — анализ — качество'' или "интуицио — рацио — эмоцио" (Баранцев, 1994).
Эта исходная позиция позволяет ориентироваться в динамике понятий в области биологии, объекты которой, начиная с клетки, поражают своей сложностью, целостностью и телеономичностью. Испытание временем обычно выдерживают относительно размытые, семантически мягкие (выражение Р. Г. Баранцева) понятия, которые в момент своего возникновения не стремятся сразу к точности, рискуя утратить в правильности, полноте описания. Лучшим примером является понятие "ген", семантическая эволюция которого прослежена выше.
Конкретное материальное воплощение или инкарнация термина "ген" все время менялось и меняется. Инвариантным оставалось и остается выражаемое им свойство дискретности генотипа. Справедливо замечено, что экспериментаторов "привлекают термины, по историческим причинам обладающие большей амбивалентностью значения, как например, "ген" или "локус" (Сойдла Т. Р., 1976). Понятие "ген" используется ныне для обозначения единиц транскрипции или трансляции, либо соответствует единицам, выявленным функциональным тестом на аллелизм. Семантика термина "локус" также претерпела дрейф: от первоначального обозначения места гена на хромосоме до обозначения любой дискретной генетической единицы в группе сцепления или хромосоме.
4.2. О понятиях "наследственность", "генотип" и "геном"
Согласование взглядов классической и современной генетики требует вновь обсуждения смысла основных понятий генетики. Наряду с геном В. Иогансен ввел термин "генотип" для обозначения генетической конституции зиготы или гаметы. Поразительно, но для В. Иогансена уже в начале века был свойственен целостный подход. Вновь уместно— привести его предупреждение, что "живой организм нужно понимать как целую систему , не только во взрослом состоянии, ной в течение всего его развития… Было бы неправильным предполагать бесконечную расчленяемость фенотипа живого организма на отдельные элементы, отдельные явления, т. е. на простые "фены" (Иогансен, 1933, с. 124).
Генотип зиготы, пояснял далее Иогансен, обусловливает все возможности развития особи и определяет "норму реакции данного организма". В генанализе термин "генотип" стал употребляться и в более узком смысле для обозначения перечня генов с аллелями, генетической формулы организмов в отношении определенных признаков.
В более широком смысле под генотипом часто понимают всю наследственную систему. Он соответствует свойству клеток и организмов обеспечивать структурную и функциональную преемственность между поколениями и специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды (Лобашев М. Е., 1967, с. 12). В данном определении сохраняется традиция системности В. Иогансена. Подчеркивается при этом, что важна передача не только структурной, но и функциональной преемственности.
Любая наследственная система должна рассматриваться в трех аспектах: материальные носители, характер их взаимодействия между собой и определенность конечного результата (аспект целостности). Из такого системного подхода следует важный вывод: если завтра будет известна полная последовательность ДНК данного организма, этих сведений будет недостаточно для понимания того, как же функционирует эта структура. Необходимо знать характер связей между генами, изменчивость нормы реакции, условия онтогенеза, т. е. динамический аспект организации генотипа.
В 1929 г. Ю. А. Филипченко в осторожной форме высказал пророческую мысль, что "было бы неправильно видеть в связи между хромосомами и носителями наследственных свойств нечто обязательное… Ведь помимо материальной возможна и чисто динамическая связь" (Филипченко, 1929, с. 22). Смысл этой динамической связи стал проясняться после открытия Жакобом и Моно генов-регуляторов, а также в ходе исследований по эпигенетической наследственности.
Очевидно, что существуют не только структурные, но и динамические способы кодирования, хранения и передачи наследственной информации. Все эти три аспекта надо иметь в виду, когда речь идет о наследственной памяти или о структурной и функциональной преемственности. Семантика понятия "наследственность" (heredity) существенно изменилась, если сравнить издания генетического словаря 1958 и 1976 годов Ригер А., Михаелис М., (1967); A. Rieger, M. Michaelis, M. Green, (1976). В последнем издании доминирует информационный подход с указанием на основные матричные процессы: "Наследственность — это процесс, который обуславливает биологическое сходство родителей и потомков. Он включает сохранение специфичности в ходе репликации генетического материала (хранение генетической информации) и осуществляется путем транскрипции и трансляции генетической информации. Генетика — это наука о наследственности" (Riegei A., Michaelis M., Green M., 1976, с. 267). Заметим, что английский термин "heredity" соответствует русскому "наследственность", а термин "inheritance" следует переводить как "наследование". Оба термина семантически близки, но не синонимичны, хотя иногда употребляется взаимозаменимо.
Теперь рассмотрим семантическую динамику понятия геном. Впервые цитогенетик Г. Винклер в 1920 г. ввел термин геном для обозначения специфичного для каждого вида гаплоидного набора хромосом. В этом смысле говорят, например, о геномном анализе аллополиплоидных форм, выясняя происхождение мутаций или о геномных мутациях, когда происходит изменение гаплоидного числа хромосом. До недавнего времени термин геном использовался в двух смыслах. У эукариот геном соответствует гаплоидному набору хромосом с локализованными в нем генами. Генетики бактерий и вирусов стали употреблять термин геном для обозначения совокупности наследственных факторов одной "хромосомы" или группы сцепления прокариот.
Когда молекулярный генетик говорит о содержании ДНК генома, то обычно подразумевается либо ДНК одной генонемы прокариот, либо ДНК гаплоидного набора хромосом ядра. Имея в виду С-парадокс и что гены с их регуляторными последовательностями представляют как бы "острова в океане не генной, не информационной ДНК, А. П. Акифьев (1995) предлагает ввести термин основной геном или "базигеном" для обозначения минимума кодирующих и регуляторных последовательностей, которые необходимы клеткам полового пути для выполнения своих функций. У человека базигеном составляет около семи процентов его ДНК, а у амфибий менее процента. Согласно предположению А. П. Акифьева, хромосомы эукариот цитологически стабильны, если их критическая масса превышает 12–15 миллионов пар оснований. Критическая масса достигается наращиванием, амплификацией негенных последовательностей.
Интересна интерференция двух основных терминов генетики в подходе А. П. Акифьева (1995, с. 31), "геном — это вся ДНК хромосом, как бы вытянутая в одну нить, тогда как генотип — лишь часть генома". При этом к генотипу А. П. Акифьев относит лишь кодирующую и регуляторную часть генетического материала. Однако и исторически, и семантически термин "генотип" древнее и имеет более широкое генетическое толкование. Генотипические различия между двумя типами клеток или двумя организмами могут быть связаны со структурными изменениями самых разных частей генома, как ядерных, так и цитоплазматических, и не только с ними.
В генетике бактерий семантика термина геном претерпела дрейф в сторону обозначения всей наследственной конституции клетки, включая самые разные внехромосомные факультативные элементы (Прозоров, 1995). Постепенно в этом смысле термин геном стали употреблять и в генетике эукариот. Капитальная сводка Р. Б. Хесина (1984) названа "Непостоянство генома". В ней рассматривается непостоянство не только генетических ядерных элементов-хромосом, но и наследование через цитоплазму, генетические свойства плазмид, органелл и, как сказано в предисловии, самые разные аспекты "немутационной изменчивости".
В данной работе мы будем пользоваться расширительным смыслом термина геном, закрепленным в сводке Р. Б. Хесина (1984), подразумевая под этим у эукариот всю совокупность ядерных и цитоплазматических ДНК и РНК носителей с локализованными в них генетическими элементами, включая определенные функциональные (эпигенетические) связи между этими элементами. Иными словами, под геномом имплицитно подразумевается вся наследственная система клетки. Термины геном и генотип стали в этом расширительном смысле семантически близки, отчасти синонимичны.
Наследственная система или геном клетки эукариот слагается из двух полуавтономных структурных подсистем — ядерной и цитоплазматической.
Совокупность наследственных структур и локализованных в них наследственных факторов ядра иногда обозначают термином нуклеотип, а совокупность цитоплазматических наследственных факторов — цитотип (Лобашев, 1967, с. 544). Эти две подсистемы полуавтономны и находятся в структурном и функциональном взаимодействии, что вербализуется термином "система генотипа". С точки зрения функциональной генотип надо понимать как систему взаимодействующих генов (Лобашев, М. Е., 1967). И эта системность, как справедливо замечено, отражается уже в общепринятом обозначении гетерозиготы Аа с делением аллелей на доминантные и рецессивные. Уже это отражает результат их взаимодействия в системе генотипа (Инге-Вечтомов, 1976).
4.3. Системные свойства клетки
Аппарат наследственности не существует сам по себе, а лишь как часть клетки. Наследственность — это прежде всего свойство клеток. Поэтому для понимания организации и функционирования генома необходимо обсудить системные свойства клетки.
В. Я. Александров (1985) дал общее определение клетки, которое справедливо и для прокариот, и для эукариот: "Клетка — это элементарная живая самовоспроизводящаяся система, ограниченная избирательно проницаемой мембраной, содержащая генетическую информацию своего вида и механизмы, синтезирующие пластические вещества, а также богатые энергией соединения для обеспечения клеточного метаболизма".
Среди основных особенностей клетки В. Я. Александров называет прежде всего две, очень важные и в контексте организации генома. А. Процессы, протекающие в клетках, имеют биологическую целенаправленность, которая особо ярко проявляется при отклонениях параметров среды от нормы: клетки способны к адаптации, а при повреждении — к репарации нарушенных функций и структур. Б. Осуществление биологических целенаправленных процессов предполагает наличие совершенной системы регуляции и координации отдельных звеньев метаболизма и состояний клеточных компонентов (Александров, 1985, с. 13). Это свойство целенаправленности биологических систем было обозначено как телеономия, в отличие от аристотелевского термина "телеология", имеющего оттенок действующей финальной причины, цели или конечного состояния. Согласно К. Уоддингтону (1970), термин "телеономия" для обозначения закономерного хода биологических процессов предложил в 1958 г. Colin Pittendrigh.
Биологические системы (от белков и нуклеопротеидных комплексов, хромосом до генома в целом, клеток и организмов) подразделены на элементы, связи между которыми не жестко зафиксированы, но лабильны. В силу этого живым системам в принципе присуща способность реагировать на действие физиологических факторов и повреждающих агентов как специфичным, так и неспецифичным образом. Неспецифическое реагирование основано либо на связи элементов между собой, либо на их связи с тем элементом, который определяет ответ клетки.
Общий принцип организации биологических систем на всех уровнях — макромолекулярном, клеточном, организменном, состоит, согласно В. Я. Александрову, в том, что эти системы подразделены на качественно отличные компоненты, "различающиеся по устойчивости к действию внешних агентов, объединенные в целостные телеономические системы взаимодействием прочных… и разнообразных слабых лабильных связей". Сходство принципов организации предопределяет сходные черты биологических систем в их реакции на внешние воздействия.
Реакция в ответ на действия внешних раздражителей и повреждающих агентов всегда сочетает специфические и неспецифические ответы. Прекрасный пример этих общих положений представляет запрограммированная в геноме бактерий система быстрого реагирования на повреждение клетки или так называемая SOS-система. В ответ на любое повреждение, приводящее к избытку одноцепочечных участков ДНК, происходит активация транскрипции более 15 генов, участвующих в репарации генетической системы бактериальной клетки. Эта реакция целостная и неспецифичная. Она включает один сенсорный ген Rec-A, который в ответ на повреждение в ДНК меняет свою кон — формацию и становится способным расщеплять продукт гена-репрессора lex, который в норме блокирует серию репарационных генов (Льюин, 1987; Хесин, 1984).
Современное представление о клетке как о единице жизни существенным образом отличается от того, которое было еще в начале века. Примерно каждые десять лет в клетке открываются новые надмолекулярные структуры, включая новые органеллы, как, например, лизосомы, пероксисомы, информосомы, нуклеосомы и т. д. Структура и функция мембран остается мало исследованной. Недаром Александров, как бы подытоживая свои 60-летние исследования клеточной цитофизиологии, пишет в предисловии своей книги, что клетка для него становилась все более загадочной и непонятной. А "под конец стало казаться, будто клетка, по мере ее изучения, сама себя усложняет, чтобы остаться непознанной" (Александров, 1985, с. 5).
Становится очевидно, что способность к целесообразному реагированию присуща клетке как таковой, имманентна. Данное свойство возникло тогда, когда возникла живая клетка, а не есть результат естественного отбора. Это, видимо, следует принять как постулат. Так и сделал Л. С. Берг в концепции номогенеза, приняв, что целесообразное реагирование есть имманентное свойство живой системы, сопоставимое с самовоспроизведением (Берг Л. С., 1977). Это свойство может усовершенствоваться в процессе эволюции, но в потенции оно возникло, видимо, с жизнью и неотделимо от нее.
Признание изначальной целесообразности, телеономичности в организации живых систем вовсе не означает отказа от их изучения. Напротив, оно указывает на эффективность номотетического, а не только исторического подхода. На самом первичном уровне под целесообразностью можно понимать сохранение гомеостаза. Под. клеточным го-меостазом понимается поддержание внутренних параметров клетки в пределах нормы. Клеточная система динамична, ее компоненты с большей или меньшей скоростью постоянно деградируют и одновременно восстанавливаются. Клетка находится в стационарном состоянии, но не в состоянии равновесия, а скорее в состоянии стабильной нестабильности (Александров, 1985).
В согласии с выводом биологов можно привести вывод специалиста по теории систем, который выделяет (Моисеев, 1981) "одно свойство присущее всему живому — устойчивость, стремление к сохранению гомеостаза, порождающее гигантскую систему обратных связей. С таких позиций возникновение обратных связей по своему существу тождественно возникновению жизни. Однако об этом этапе материи мы пока ничего не знаем. Давайте примем как аксиому то, что вместе с жизнью роз/сдается способность к целесообразному поведению".
4.4. Подразделение генома на две подсистемы. Облигатный и факультативный компоненты
Необходимость согласовать концепции классической генетики с потоком необычных новых фактов в области современной генетики привела к представлению о том, что клеточная наследственная система, в особенности у эукариот, может быть естественным образом подразделена на два компонента структуры: облигатный — ОК и факультативный — ФК. Элементы этих двух подсистем отличаются по особенностям их организации, характеру протекания основных матричных процессов — репликации, транскрипции, трансляции (Голубовский, 1985).
Облигатный компонент ядра — совокупность генов, локализованных в хромосомах. В классической генетике это нашло отражение в построении генетических карт, где ген или блок генов занимают определенное положение у всех "нормальных" особей вида. ОК цитоплазмы — это гены ДНК-содержащих органелл, прежде всего митохондрий и пластид, для которых уже построены генетические карты.
Факультативный компонент (ФК) генотипа образуют последовательности ДНК, количество и топография которых могут свободно варьировать в разных клетках и у разных особей (вплоть до их полного отсутствия). Сюда входят также внутриклеточные, способные к автономной или полуавтономной репликации РНК-носители (плазмиды, вирусы). Термины "облигатный" и "факультативный" широко употребляются в биологии (в отношении партеногенеза, симбиоза и т. д.). В 1966 году в цитогенетике было введено понятие об облигатном и факультативном гетерохроматине, что позволило упорядочить многие факты в области структуры и функции хромосом.
Важная особенность факультативных элементов по сравнению с ОК, это наличие определенных аномалий в матричных функциях — репликации, транскрипции, трансляции, а также нерегулярности или аномалии в распределении этих элементов между дочерними клетками при делении (например, в случае В-хромосом). Существуют как внутриядерные, так и цитоплазматические факультативные элементы. В ядре факультативные элементы расположены в хромосомах или вне их.
Среди хромосомных факультативных элементов можно выделить:
1) фракции высокоповторяющейся ДНК, которые расположены блоками и повторены сотни тысяч или миллионы раз. Они, как правило, не способны к транскрипции. Эти фракции называют сателлитными (стДНК), если они резко отличаются по составу нуклеотидов от остальной ДНК генома. Доля стДНК у разных видов составляет от 1 до 80 % генома. У ряда видов, например, у Drosophila hydei целое плечо Х-хромосомы образовано мультипликацией одного сателлита. У другого вида дрозофил Drosophila virilis три разных сателлита длиной в шесть нуклеотидов каждый расположены прицентромерными блоками и занимают более 40 % всей геномной ДНК. В геноме человека эта фракция занимает 8–10 % всей ДНК.
2) умеренно повторяющиеся последовательности (от 10 до 105 раз) составляют 10–30 % всей ДНК генома эукариот. Среди них есть элементы ОК в виде семейств повторенных жизненно важных генов, кодирующих рибосомные белки, гистоны, транспортные РНК и т. д. Но основу умеренных повторов составляют элементы ФК, прежде всего, разного рода семейства рассеянных по геному мобильных генетических элементов (данные по дрозофиле: Ильин, 1982; Ананьев, 1984). В геноме человека доля умеренных повторов составляет около 42 % их средний размер около 400 н. п. (Fogel, Motulsky, 1982).
3) рассеянные по геному осколки генов ОК — их безинтронные копии, так называемые псевдогены, не способные к транскрипции, а также гены — сироты, одиночные копии семейств тандемно повторенных генов;
4) эндогенные вирусы, последовательности которых частично или полностью интегрированы в разные участки хромосом хозяина; такие последовательности есть у всех изученных видов эукариот (Хесин. 1984).
В клеточном ядре обнаруживаются разного рода ДНК и РНК-носители, которые образуют дополнительные фракции к основному набору хромосом. Сюда могут входить: 1) амплифицированные сегменты ДНК, способные иметь несколько особых цитогенетических воплощений: мелкие хромосомные образования, двойные микрохромосомы и т. д.; 2) внутриядерные симбионты в виде вирусов или бактерий; 3) добавочные или В-хромосомы. Они находятся в особом гетерохроматиновом состоянии, число их варьирует у разных особей одного вида и в разных тканях одного организма. В-хромосомы найдены более чем у 700 видов растений, у сотен видов беспозвоночных и около 20 видов позвоночных.
К факультативным элементам следует отнести и видо-специфичные внутриядерные симбионты-бактерии, которые обнаружены у инфузорий и интимно связаны с наследственной системой хозяина. Инфузории, зараженные такими цитобионтами, теряют способность вступать в половой процес, а особи, освободившиеся от них, различаются по количеству ДНК в микронуклеусах (Осипов, 1981). Внутриклеточные симбиотические бактерии обнаружены в ряде отрядов прямокрылых. Так, геном тлей уже 200–250 млн. лет сосуществует с облигатными цитобионтами — бактериями рода Buchnera. Ни тли, ни бактерии этого рода не могут существовать отдельно (Baumann, et al, 1995). Быстро растущие тли нуждаются в триптофане и других аминокислотах, которые поставляются облигантной внутриклеточной бактерией.
Совершенно удивительным цитобионтом, являются риккетсии рода Wolbachia. Они поселяются в генеративных клетках и передаются через цитоплазму яйцеклеток. Эти цитобионты найдены у 15–20 % видов насекомых, но они встречаются в самых разных группах организмов — паукообразных, ракообразных, нематод. Кроме вертикальной, они способны передаваться горизонтально между разными родами насекомых и даже между насекомыми и ракообразными! Особенностью Wolbachia является их действие на репродуктивную систему видов-хозяев, так что их называют "репродуктивные паразиты". У большинства насекомых они вызывают цитоплазматическую несовместимость, партеногенез у перепончатокрылых и феминизацию генетических самцов у ракообразных. У дрозофил цитоплазматическая стерильность проявляется лишь в скрещиваниях зараженных самцов и не зараженных самок. А если оба пола заражены, то плодовитость нормальна. (Soligniac, 1994; Werren J., 1997).
Факультативный элемент цитоплазмы составляют разного рода линейные и кольцевые плазмиды, фрагменты гетерологичной (чужеродной) ДНК и РНК, микросимбионты и вирусы, способные синхронно воспроизводиться с геномом хозяина. Таким образом, структурную часть генотипа эукариот следует представлять в настоящее время как ансамбль взаимодействующих между собой информационных молекул, изучение которых должно вестись на языке и средствами популяционной генетики (Хесин, 1984).
К сходному выводу пришел Антонов (1986), предлагая рассматривать геном как "совокупность популяций генов" или "геноценоз", который организован и эволюционирует как динамическое сообщество популяций организмов. Взаимодействие ОК и ФК — это, по всей видимости, основной источник наследственных изменений в природе, того, что в классической генетике и СТЭ носит название спонтанный мутационный процесс.
4.4.1. Взаимодействие облигатного и факультативного компонентов
В. Я. Александров (1985) отметил вынужденную условность определений в биологии. Пытаясь охарактеризовать саму структуру или функцию, а не процесс их развития, мы вынуждены произвольно устанавливать границы определяемого и тем самым вносить дискретность там, где по существу имеет место непрерывность. Поэтому не следует придавать определению абсолютного значения. Оно оправдано уже тогда, когда дает возможность более ясного описания и помогает разобраться в кажущемся хаосе фактов.
Подразделение на облигатный и факультативный компоненты не является жестким. ОК и ФК вовсе не разграничены китайской стеной, между ними постоянно происходит двусторонняя миграция генетического материала.
Рассмотрим несколько примеров переходов в системе ОК — ФК.
1. Переход ОК — ФК в процессе амплификации. Умножение копий генов, обеспечивающих устойчивость к факторам, лимитирующим рост и развитие, один из универсальных путей клеточной адаптации. Умножение (амплификация) достигается путем дифференциальной локальной сверхрепликации в самой хромосоме, а также путем клеточного перехода множества копий во внегеномное состояние. Возможность относительно свободного выхода отдельных сегментов из хромосом, их автономная репликация в ядре или цитоплазме явились для генетиков полной неожиданностью. Оказывается, двойные микрохромосомы цитогенетики наблюдали в опухолях еще в 60-е годы, но тогда им не придали значения и относили к артефактам (Погосян, 1981). Когда же явление амплификации было концептуально оформлено и понято, его стали наблюдать регулярно.
2. Инсерционные мутации. Примером обратного перехода ФК — ОК могут служить инсерции. Около 70 % спонтанных мутаций в локусе bithorax у D.melanogaster, которые послужили основой Э. Льюису для классических работ по тонкому анализу гена у высших организмов и для установления псевдоаллелизма, оказались связанными с внедрением разных типов МГЭ. Любопытно, что инсерции причастны и к самой первой паре признаков, с изучения которой Г. Мендель начал свои исследования, — "гладкие — морщинистые семена гороха". Морщинистые семена имеют уменьшенные зерна крахмала в силу дефекта так называемого "фермента ветвления крахмала", контролируемого геном R. Менделевская мутация у гороха есть результат инсерции мобильного элемента размером в 800 п. н., близкого по строению с Ас — элементом кукурузы. Мобильный элемент встроился в экзон, в результате чего синтезируется аномальный фермент (Bhattacharya, et al., 1990).
Доминантная летальная мутация "желтое тело" у мышей была впервые описана французским генетиком Люсьеном Кэно еще в 1906 году и с тех пор во всех учебниках приводится как пример классической точковой мутации. На самом деле природа этого наследственного изменения состоит в стабильной интеграции ретровирусной последовательности в локусе "А". Иными словами, у мутантных мышей произошел переход типа ФК — ОК. Один и тот же вирус в разных линиях мышей может занимать разное положение в хромосомах.
У ряда видов дрозофил и комаров несовместимость в скрещиваниях между особями из разных географических популяций основана на взаимодействии ФК и ОК, где в роли ФК выступают облигатные цитобионты. Внутри ядер инфузорий найдены видоспецифичные бактерии, регулирующие половой процесс хозяина. Множество сходных примеров можно найти в сводке Р. Б. Хесина (1984) и в обзоре (Голубовский, 1985).
4.5. Два компонента генотипа — две формы наследственной изменчивости. Мутации и вариации
Естественное разделение наследственной системы эукариот на две подсистемы — ОК и ФК приводит к расширенному представлению о формах наследственной изменчивости. С мутациями в общепринятом смысле связана лишь часть наследственной изменчивости, т. е. изменения, которые непосредственно затрагивают ОК.
В первой главе уже отмечалось, что в хромосомной теории наследственности принимались "на веру" два постулата:
а) весь генетический материал хромосом состоит из генов, вся ДНК имеет информативную функцию;
б) геном как перечень генов с их аллелями тождественен понятию генотип.
Выясняется, что оба неявных постулата неточны и ведут к неверным эволюционным следствиям (А. Е.Акифьев, 1995).
М. Е. Лобашов (1976), исходивший при изучении наследственной изменчивости из физиологии клетки, предупреждал: "Наши генетические методы позволяют улавливать лишь изменения, связанные с постоянными элементами ядра и клетки. В силу этого мы обращаем внимание на изменения в хромосоме и упускаем другие". Говоря обыденным языком, исследователи нередко искали ключ не там, где он потерялся, а под фонарем, потому что там светло.
Под термином мутация в более узком сложившемся в классической генетике смысле целесообразно понимать лишь те изменения, которые прямо или косвенно затрагивают постоянные облигатные компоненты генотипа (ОК). Для обозначения самых разных изменений ФК был предложен термин вариация (Голубовский М. Д., 1985), который так или иначе уже использовался в истории генетики применительно к изменчивости (Ю. А. Филипченко, 1929). Небольшое переосмысление термина — обычная ситуация в науке.
Поистине, изучая структурную организацию генотипа у разных особей одного вида, мы постоянно сталкиваемся с вариациями на тему видового генома.
Рассмотрим: 1) характер изменений, связанных с факультативными изменениями; 2) их генетическую основу (т. е. какие именно факультативные элементы меняются и каким образом); 3) индуцирующие факторы, вызывающие активацию ФК.
Наследственные изменения, которые вызваны ФК, могут затрагивать существенные характеристики клетки и организма — от возникновения генных мутаций и до дестабилизации генома.
Рис. 2. Пути возникновения наследственных изменений в природе в системе СРЕДА — ФАКУЛЬТАТИВНЫЕ — ОБЛИГАТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Справа указаны факультативные элементы, слева — облигатные элементы генома. Изменения первых обозначены как вариации, изменение вторых — мутации. Толщина линий соответствует интенсивности связи. Факультативные элементы первыми воспринимают немутагенные изменения среды, а затем возникающие вариации вызывают мутации. Поведение факультативных элементов зависит также от облигатных генов.
Мутации, согласно классической генетике, возникают случайно, с малой частотой (примерно, 1х10–6 на ген за поколение), у отдельных особей. Характер наследственных вариаций, обусловленных факультативными элементами, совсем иной: здесь возможны массовые, упорядоченные наследственные изменения. Кроме того, вариации могут возникать при таких изменениях абиотических, биотических или генетических факторов среды, при которых канонические изменения возникают редко. На рис. 2 представлена общая схема взаимодействий в триаде "Среда — ФК — ОК".
Ю. Я. Керкис (1940), полемизируя с Н. В. Тимофеевым-Ресовским, впервые пришел к правильному выводу, что спонтанные наследственные изменения возникают за счет нарушения внутриклеточного метаболизма и физиологического гомеостаза. Именно эти причины в первую очередь индуцируют изменения факультативных элементов, которые затем опосредованно, по принципу усиления, вызывают мутации ОК. Вариации возникают под действием самых обычных немутационных факторов.
Остановимся лишь на одном примере того, как возникают определенные, массовые наследственные изменения, опосредованные ФК в случае феномена гибридного дисгенеза у дрозофилы. При синдроме гибридного дисгенеза в потомстве некоторых скрещиваний возникают вспышки мутаций (генных и хромосомных), резко изменяется характер рекомбинации у самцов, появляется частичная или полная стерильность. Суть этого феномена состоит в активации тех или иных мобильных элементов при разных скрещиваниях. Так, в случае Р-М системы гибридного дисгенеза Р-элементы, содержащиеся в хромосомах линий Р-цитотипа, попадая в цитоплазму М-цитотипа (где нет репрессоров транспозиции), начинают массово перемещаться. Это сопровождается появлением нестабильных инсерционных мутаций и разрывом хромосом именно в тех районах, где локализованы Р-транспозоны данной линии (Engels, 1983; Kid — well, 1985; Lim, Simmons, 1994).
На фенотипическом уровне эти массовые вариации выражаются в появлении частичной или полной стерильности у самцов первого поколения. Частота возникновения хромосомных перестроек в дисгенных линиях может достигать фантастических величин — до 10 % (Engels, 1983).
Не всегда массовые транспозиции имеют негативный эффект. Так, при переходе от глубокого инбридинга к свободному скрещиванию в селектированных Л. 3. Кайдановым линиях дрозофил за одно-два поколения происходят множественные кооперативные миграции МГЭ и одновременно резко возрастает жизнеспособность линий (Гвоздев В. А., Кайданов Л. 3., 1986, 1990).
МакКлинток (McClintock, 1978) пришла к выводу, что способность к активации факультативных элементов и реорганизации генома представляет собой род адапгивного ответа клетки на стресс. Степень реорганизации варьирует от амплификации генов, перемещения МГЭ, количественных изменений и транспозиций блоков гетерохроматина до сложных инверсий и транслокаций. Множественные вариационные и мутационные изменения способны обеспечить достижение нового адаптивного пика при стрессовых воздействиях (Кайданов и др., 1994).
4.6. Эпигенетическая изменчивость
4.6.1. Динамическая наследственность: теоретические предпосылки
Как уже говорилось, понятие наследственной памяти включает в себя три аспекта: хранение, кодирование и передачу генетической информации. Возможны как структурные, так и динамические способы хранения, кодирования и передачи наследственной информации. При структурном способе кодирование осуществляется путем определенного порядка оснований в ДНК или РНК, а передача — путем конвариантной редупликации.
Динамические способы хранения, кодирования и передачи информации у живых организмов могут быть весьма разнообразны. Прототипом динамической памяти является предложенная впервые Ф. Жакобом и Ж. Моно система из двух оперонов, которые циклически связаны между собой таким образом, что система может переключаться на два режима работы (Monod, Jacob, 1961). Выбор состояния (а на уровне фенотипа — это выбор между двумя альтернативными признаками, есть — нет белок и т. д.) зависит от концентрации циркулирующих через цитоплазму белков — регуляторов. Путем воздействия на белки — регуляторы система способна переключаться на другой режим.
Подобный переключатель, или триггер, контролирует систему размножения фага "лямбда" у бактерий. Встроенный фаг вырабатывает белок-репрессор, подавляющий активность генов, контролирующих образование "ранних белков" фага. Когда фаг встроен в хромосому бактерии, его присутствие почти не обнаруживается. Это так называемое состояние профага. При подавлении репрессора профаг начинает размножаться, образуя зрелые фаги, которые инфекционны и вызывают лизис бактерий.
За открытие и анализ этого явления Андрэ Львов был удостоен Нобелевской премии. Цитоплазматический фактор, который не дает размножаться другим фагам в клетке и "сдерживает" эндогенный, интегрированный в хромосому бактерий профаг, является репрессором и продуктом фагового гена. Любые агенты, которые снижают концентрацию репрессора, тем самым вызывают размножение фаговых частиц и лизис клетки.
Франсуа Жакоб замечательно описал эти две альтернативы развития, определяемые динамикой взаимодействия генных продуктов. Когда фаг попадает в клетку, "начинается своеобразное соревнование между синтезом специфического репрессора и синтезом "ранних белков, необходимых для размножения вегетативного фага. Судьба клетки-хозяина, ее выживание или лизис в результате размножения фага зависит от того, какому из этих двух синтетических продуктов в большей мере благоприятствуют условия. Изменение условий культивирования в направлении, благоприятном для синтеза репрессора…, должно благоприятствовать лизогенизации и наоборот". (Стент, Кэ — линджер, 1981, с. 354).
Подобного рода обратимые наследуемые изменения, определяемые динамическими связями генопродуктов и других молекул, относят к эпигенетическим. Переключение с одного признака на другой происходит не вследствие изменения структуры гена, а в силу регуляции генной активности.
Становление смыслового поля понятий в области динамической или эпигенетической наследственности в определенной мере повторяет извилистый путь понятий классической генетики. И здесь, само название области исследований — "эпигенетика", прилагательное "эпигенетический" и термин "эпигенотип" появились гораздо раньше, чем было введено (и еще не стало общераспространенным) представление об элементарной единице динамической наследственности — эпигена (Чураев, 1975).
Термин "эпигенетика", по свидетельству К. Уоддингтона, был изобретен им в 1947 году, как производное от аристотелевского "эпигенез". К. X. Уоддингтон предложил "называть эпигенетикой ветвь биологии, изучающую причинные взаимодействия между генами и их продуктами, образующими фенотип" (Уоддингтон, 1970, с. 18). Эпигенетика в аспекте онтогенеза включает два основных направления: изучение и анализ с позиций генетики клеточной дифференцировки и геометрической формы (морфогенез). Элементарным событием дифференцировки могут быть процессы репрессии и дерепрессии генов, а элементарными событиями морфогенеза — определение третичной структуры белков и слабых взаимодействий между ними.
К. X. Уоддингтон ввел также представления об "эпигенетическом ландшафте" и о множественности "эпигенетических траекторий" потенциально, возможных для одного генотипа. Он обосновал тезис, что фенотип можно рассматривать как возможность выбора из нескольких путей реализации информации, передаваемой через ДНК хромосом.
В конце 50-х годов исследователи в области генетики простейших и генетики соматических клеток ввели в обиход понятие "эпигенетическая изменчивость" (Nanney, 1958; Эфрусси, 1976). Ю. М. Оленов был в числе первых, кто привлек внимание к этой проблеме (1970) и использовал термин "Эпигеномная изменчивость". Сюда относятся разнообразные наследуемые обратимые изменения генотипа, не сопровождаемые изменениями структуры генетического материала. Производное понятие "эпигенотип" стало употребляться разными авторами в несколько разных смыслах.
Термин "эпигенотип" в более определенном смысле, как указывает Б. Эфрусси, был введен в 1976 г. английским зоологом М. Abercrombie для обозначения той части суммарного генома, которая функционально активна в данном типе дифференцированных клеток. "Используя это понятие, мы можем сказать, что различные типы клеток обладают различным эпигенотипом." (Уоддингтон, 1970). К середине 70-х годов терминология в области изучения динамической наследственности стабилизировалась. Ю. Б. Бахтин (1976) предложил "пользоваться для обозначения наследуемых на клеточном уровне изменений генной активности термином "эпигенетическая изменчивость", а для обозначения совокупности активных в клетке генов — термином "эпигенотип".
С позиций клеточной наследственности к эпигенетическим изменениям относится широкий класс явлений. Сюда входят явления тканевой детерминации в ходе онтогенеза, феномен трансдетерминации, исследованный Е. Хадорном на имагинальных дисках дрозофилы, наследуемый полиморфизм клонов соматических клеток, изменение антигенных вариантов у простейших, характер возникновения и наследственного поведения самых разных признаков у амеб, инактивация X-хромосом у млекопитающих и феномен хромосомного и генного импринтинга (Холлидей, 1989; Сапиенца, 1990; Holliday, 1987, 1990; Jablonka, Lamb, 1989; 1995; Jablonka, Lachmann, Lamb, 1992; Jorgensen R., 1993).
Эпигенетические изменения, возникаемые в онтогенезе многоклеточных эукариот, способны передаваться не только в рамках клеточной наследственности (сома), но и через половое размножение. Еще в 60-е годы R. Brink, (1973) на кукурузе открыл феномен "парамутации", когда один аллель (парамутабильный), будучи единожды в гетерозиготе с другим аллелем (парамутагенным), закономерным образом, с частотой свыше 90 %, меняет характер своего выражения и сохраняет это новое измененное состояние в ряду поколений. Сюда же относятся замечательные данные П. Г. Светлова (1965), полученные на дрозофиле и мышах, о наследовании в ряду поколений измененной экспрессивности определенных мутантных генов при однократном температурном воздействии на материнскую ооплазму.
Открытие в начале 60-х годов Ф. Жакобом и Ж. Моно принципов регуляции действия генов, их подразделения на структурные и регуляторные, их организации в опероны трансформировало представление о наследственности. Ф. Жакоб и Ж. Моно обосновали положение о необходимости включать в сферу наследственности, в понятие геном не только структурную, но и динамическую память — "координированную программу синтеза белков и способы, которыми этот синтез контролируется" (Jacob, Monod, 1961). Два сообщения этих авторов, доложенные ими на симпозиуме в Колд Спринг Харбор в 1961 г., с полным основанием можно именовать как "величайший интеллектуальный взлет" (Харрис, 1973). Было показано, каким образом клетка может целенаправленно переключаться с одной наследственной программы функционирования на другую в зависимости от метаболической ситуации.
Концептуальный смысл своих открытий, доложенных на симпозиуме 1961 г., Ж. Моно и Ф. Жакоб суммировали в итоговых размышлениях, красноречиво названных: "Общие заключения: телеономические механизмы клеточного метаболизма, роста и дифференцировки". Фейерверк содержащихся там идей, в значительной степени определил направление исследований в области генетической регуляции в последующие десятилетия (Пташне, 1988). Приведу лишь один пример.
Четкое понимание, что должны быть особые регуляторные гены, способные менять свое состояние (не меняя структуры) в ответ на сигнал со стороны генома или среды, сдвинуло с мертвой точки концептуально застывшие с 20-х годов исследования в области генетики пола у дрозофилы и других эукариот. Целенаправленные поиски ключевого гена — регулятора пола, который, не изменяя своей структуры, способен менять свое состояние в зависимости от состава хромосом зиготы, привели к открытию такого гена. У дрозофилы им оказался ген Sex-lethal (Sxl), который у самок должен быть активен, но инактивирован у самцов. Этот выбор состояния Sxl-гена затем передается по каскадной цепи другими генами к факторам дифференцировки пола гонад и других соматических тканей (Cline, 1993).
В заключительном докладе симпозиума 1961 г. Ж. Моно и Ф. Жакоб предложили замечательную серию моделей с целью показать, как открытые на микроорганизмах принципы регуляции могут решить главный парадокс дифференцировки: потенциальное существование на базе одного генотипа множества программ и их актуализацию, т. е. способы выбора альтернатив (Monod, Jacob, 1961). Основное звено моделей Ж. Моно и Ф. Жакоба — циклические системы с обратными связями между продуктами генов — регуляторов и структурных генов. Хотя их модели представляли собой, по их словам, "воображаемые цепи" ("imaginary circuits"), авторы справедливо подчеркивали, что "элементы этих цепей вовсе не воображаемые", а имеют реальные аналоги в исследованных уже к началу 60-х годов некоторых генетических системах.
Самым простым вариантом цепи является метаболическая схема с обратной связью, формально идентичная модели, которую предложил еще в 1949 г. М. Дельбрюк для концептуального истолкования результатов опытов Т. Соннеборна по переключению антигенов у парамеций. Это модель так называемого аллостерического ретроингибирования, когда есть две независимые метаболические цепи и конечный продукт синтеза одной цепи ингибирует первое звено синтеза в другой цепи. Такая система способна переключаться с одного состояния на другое в зависимости от метаболической обстановки. Если случайно одна из цепей получает метаболическое преимущество, то она становится функциональной, подавляя вторую цепь. Переключение может быть достигнуто самыми разными способами.
В одной из моделей Ж. Моно и Ф. Жакоба обратная связь конструировалась таким образом, что продукт определенного структурного гена инактивировал продукт гена — регулятора, который репрессировал этот же структурный ген. Такая система может служить простейшим примером автокаталитической и самоподдерживающейся системы. В отсутствие метаболической блокады репрессора данный генопродукт не синтезируется, система заблокирована. Временный контакт с индуктором, в роли которого прежде всего может выступать добавленная извне порция продукта регулируемого структурного гена, деблокирует систему, переключает ее в постоянно активное состояние. Поразительно, но эта воображаемая система была затем обнаружена у ряда генов, контролирующих размножение фага лямбда.
В другой модели постулировалась взаимная регуляция на уровне транскрипции, когда возможность транскрипции самих генов-регуляторов зависела или находилась под контролем продуктов контролируемых ими ген — ферментных систем. Эта система оказалась уже способна и к устойчивому сохранению каждого из режимов в ряду клеточных поколений, и к переключению с одного режима на другой под действием временных контактов с каким-либо индуктором. Подобный теоретический конструкт был вскоре реально обнаружен при изучении регуляции выбора литического или лизогенного режима фага лямбда.
Ж. Моно и Ф. Жакоб постулировали, что аналогичные модели дают возможность объяснить процесс "почти мгновенной и более или менее устойчивой "меморизации" клетками химического события. Сама проблема памяти может быть успешно рассмотрена с этих позиций" (Monod, Jacob, 1961, с. 399). В связи с созданными моделями авторы обсудили разные аспекты динамической памяти, связанные с событиями клеточной дифференцировки или малигнизации. Начальное, пусковое событие малигнизации вполне может быть эпигенетическим. Оно переключает параметры клеточного цикла будущей раковой клетки в сторону его независимости от систем тканевой регуляции. Затем может происходить селекция онкогенных мутаций, усиливающих эту независимость. "Очевидно, что большой спектр агентов, от вирусов до канцерогенов, может быть ответственен за подобное начальное событие" (Monod, Jacob, 1961). По существу к сходному выводу пришли и ряд современных исследователей (Бахтин, 1980; Cuthill, 1994).
Следующий важный шаг в области теории генной регуляции и изучения динамической наследственности представляет собой концепция эпигена, предложенная и разработанная Р. Н. Чураевым.
4.6.2. Концепция эпигена: понятийная и логическая схема
Эпигеном была названа наследственная единица, циклическая система, имеющая не менее двух режимов функционирования подчиненных ей генов, способная сохранять каждый из режимов в последовательном ряду поколений (Чураев, 1975). Эпиген, который включает одну единицу транскрипции, является однокомпонентным. В этом случае цикл обратной связи осуществляется за счет авторегуляции. Обратная связь может быть позитивной или негативной. Возможны двухкомпонентные эпигены и более сложные их композиции (Чураев, 1982). Понятие эпигенотип в рамках концепции впервые получает не размытый, а более конкретный смысл, как перечень генов, входящих в эпигены с указанием их состояния. Состояние эпигена можно обозначать символами входящих в него генов с обозначением А1 — активное и А0 — неактивное состояние гена А, который контролирует изменения данного признака.
Введение подобной символики позволило провести интересный логический анализ результатов скрещиваний разных эпигомозигот А1А1 и А0А0, отличающихся по состоянию эпигена. В потомстве эпигетерозиготы а1а0 — введение этого термина есть естественное логическое следствие концепции эпигена — теоретически предсказывается неменделевское наследование, когда наблюдается резкий дефицит одного из эпигенотипов, вплоть до его "поглощения".
Определив понятие эпигена, можно рассмотреть разные ситуации эпигенной изменчивости. На рис. 3 приведены блок-схема однокомпонентного эпигена с позитивной авторегуляторной связью на уровне транскрипции и дана полнач система понятий для описания эпигенной изменчивости. В логическом соответствии с геном и его аллелями можно говорить об эпиаллелях или разных состояниях эпигена, обозначаемых как эгшаллели А1 и А0. Понятие "эпимутация", введенное Р. Холлидеем (1987) для обозначения наследуемых обратимых изменений, соотносится с транскрипционным переключением эпигена из одного состояния в другое. Эпимутация происходит, например, при блокировании продукта гена — регулятора или при трансактивации неактивной связью на уровне транскрипции. В логическом соответствии с геном и его аллелями можно говорить об эпиаллелях в клетках эпигетерозигот (рис. 3). Таким образом, понятия "эпиаллель" и "эпимутация", введенные независимо разными авторами при изучении эпигенетической изменчивости (Holliday, 1987; Jorgensen, 1993), легко вписываются в концепцию эпигена. Наблюдается удивительная параллель с тем, как "находили друг друга" термины ген, аллель и мутация.
Рис. 3. Однокомпонентный эпиген с позитивной авторегуляцией (логическая схема; RP — область регулятора и промотера)
Структурный ген А и ген-регулятор R входят в одну единицу транскрипции, образуя авторегуляторную связь. Показаны два аллельных состояния эпигена и возможное поведение системы в потомстве эпигетерозигот. При скрещивании фенотипически различных эпигомозигот в потомстве эпигетерозиготы А1/А0 возможны унификация эпигенов и неменделевское наследование (Чураев, 1975), как это регулярно происходит у инфузорий (Успенская, Юдин, 2000).
Введение понятия эпигена и его символическая презентация позволили уже на самых простых моделях выявить важные следствия. Так, если имеются два структурно различных аллеля одного гена А1 и А2 и при этом генотипы гомозигот А1А1 и А2А2 отличаются как-то друг от друга и от гетерозигот А1А2, то мы имеем три разных генотипа. Если же аллели этого гена входят в состав эпигена, то возможны четыре эпиаллеля А11, А10, А21, А20, 6 эпигенотипов и 4 класса фенотипов. В случае же аллельной специфичности продукта гена-регулятора к рецепторной зоне своего эпигена число эпигенотипов возрастает до восьми! (Чураев, 1975).
Р. Чураев разработал более общее строгое теоретико-математическое описание путей и способов кодирования, хранения и передачи функциональной информации в ряду последовательных поколений. Единицы (ячейки) функциональной наследственной памяти были названы биотонами. К биотонам, к примеру, относится транспозиционное переключение типов спаривания у дрожжей, инверсионный способ переключения экспрессии генов у сальмонелл. Биотоны — родовое понятие по сравнению с эпигеном, эпигены — частный случай биотонов. Для последних наличие циклических связей не является необходимым (Чураев, 1997).
Гипотеза эпигена через 20–25 лет после того, как была высказана, получила достойное завершение: Чураев и его коллеги (Tchuraev, et. al., 2000), а затем две группы исследователей в 2000 году осуществили синтез эпигенов. Альтернативные режимы их функционирования соответствуют предсказаниями теории (Чураев, 1981; Judd, Laub, McAdams, 2000).
4.6.3. Транспозоны и эпигены
Особенно знаменательно, что транспозоны прокариот и эукариот могут иметь эпигеноподобную организацию. В транспозоне Тп3 у бактерий ген R имеет две функции: действует как репрессор транскрипции гена, ответственного за синтез транспозазы, от которой зависит подвижность данного МГЭ, и как репрессор собственной транскрипции (Хесин, 1984). В итоге в этой системе возможен колебательный режим, который ограничивает неограниченную транспозицию.
Транспозон Тп10 у бактерий тоже можно рассматривать как однокомпонентный эпиген. Регуляторная связь здесь воплощается на уровне взаимодействия РНК — РНК. В транспозоне есть два противоположно ориентированных промотора, перекрывающихся на участке в 36 п. н. В результате ингибируется трансляция гена, кодирующего транспозазу (Хесин Р. Б., 1984).
Эпигенный принцип регулирования характерен и для таких мобильных элементов эукариот, как Р-транспозон у дрозофилы и Spm у кукурузы (Rio, 1990; Gierl, 1990; Fedoroff, Masson, Banks, 1989). Р-транспозон у дрозофилы среди мобильных элементов эукариот является своеобразным чемпионом по подвижности. Он обладает способностью встраиваться в самые разные участки хромосом и в настоящее время является универсальным вектором, на основе которого создаются искусственные генно-инженерные конструкты и проводятся опыты по трансгенозу (Rio, 1990). В природных популяциях естественная активация Р-элементов вызывает вспышки мутаций в локусах-мишенях (Голубовский, Беляева, 1985).
Эпигенная регуляция Р-транспозона была открыта при анализе его поведения в ситуации гибридного дисгенеза. В линиях Р-цитотипа в хромосомах есть один или несколько активных Р-элементов, а в цитоплазме — репрессор их транспозиции. В линиях М-цитотипа, куда относится абсолютное большинство лабораторных линий, в хромосомах нет активных Р-копий, а в цитоплазме нет Р-репрессора. У гибридов от скрещивания самок М-цитотипа с самцами из Р-линий (но не наоборот!) наблюдается ряд отклонений, названных гибридный дисгенез: массовая транспозиция Р-элемента, сопровождаемая вспышкой мутаций, поломками хромосом и стерильностью.
Р-транспозон является авторегуляторным однокомпонентным эпигеном. Концы транспозона обрамлены короткими обратными повторами в 31 п. н., от которых зависит способность к перемещениям, активируемая собственной транспозазой. Транспозон включает одну единицу транскрипции и один ген, но в силу альтернативного сплайсинга этот ген кодирует два разных продукта. В генеративных клетках образуется ДНК-связывающий белок — транспозаза с молекулярным весом 87 килодальтон. Транспозаза имеет сродство к собственной промоторной области. В соматических клетках сплайсинг дефектен, образуется "усеченный" белок-в 66 кДа. Он является репрессором, и поэтому там транспозон неподвижен.
Репрессия подвижности элемента происходит на уровне транскрипции, как показали опыты с внедрением в геном дрозофилы бактериального гена — репортера, несущего Р-промотор. Однако не исключено, что негативная авторегуляция возможна и на уровне сплайсинга или кооперативных белковых взаимодействий. Репрессор накапливается в овоцитах и способен передаваться в течение ряда поколений, с чем связывают материнскую наследственность при гибридном дисгенезе (Rio, 1990).
Эпигенная организация МГЭ действует как авторегулятор, приводя к самоограничению количества "эгоистичных", способных к безудержному размножению потенциально мобильных фракций ДНК.
Транспозон Spm у кукурузы имеет сложную систему авторегуляции своей подвижности, которая зависит от уровня транскрипции гена транспозазы, входящего в состав этого элемента. Регуляторная зона Spm состоит из двух районов общей длиной около 500 п. н., расположенных один слева, а другой — справа от старта транскрипции. Эти участки образованы повторами, которые способны метилироваться и блокировать транскрипцию. Чем больше повторов метилировано, тем ниже уровень траскрипции транспозона. Транспозаза, кодируемая Spm, способна связываться с этими участками и, таким образом, предотвращать их метилирование, выступая в роли позитивного авторегулятора. Когда образуется избыток транспозазы, она становится негативным авторегулятором за счет связывания с повтором, перекрывающим промотор (Fedoroff, et al., 1995).
4.6.4. Эпигенетические изменения структуры хромосом
Среди форм неканонической изменчивости Р. Б. Хесин выделил стойкое наследуемое в ряду клеточных поколений изменение локальной структуры хроматина, т. е. характера упаковки в нем ДНК, ее комплексов с белками и самих белков (Хесин, 1984). Это относится прежде всего к эукариотам, имеющим ядро, а в нем хромосомы, состоящие не из голой ДНК, а из сложным образом упакованных нуклепротеидных комплексов. Другое фундаментальное отличие эукариот от микроорганизмов — процессы дифференцировки, основанные на устойчивом включении и выключении определенных генов в разных группах клеток. Переходы генов из активного в неактивное состояние невозможны без изменений в ядерных нуклеопротеидах, в характере укладки и спирализации комплексов ДНК — белок.
Робин Холлидей (1989) предложил механизм осуществления эпигенетических изменений, основанный не только на взаимодействии ДНК — белок, а на обратимой модификации ДНК. В начале 60-х годов было найдено, что ферменты рестрикции разрезают только немодифицированные последовательности оснований, а модификация цитозина — метилцитозин уже защищает от рестрикции. Это навлекло на мысль, что 5-метилцитозин (обычный минорный компонент ДНК позвоночных, растений) мог бы служить сигналом к активации либо репрессии генов. У эукариотической ДНК сайтами метилирования обычно служат дуплетные последовательности ГЦ в одной цепи и комплементарные ЦТ в другой.
Р. Холлидей постулировал, что фермент под названием "метилаза поддержания" действует только на полуметилированные участки двойной спирали ДНК. Когда, готовясь к репликации, цепи двойной спирали ДНК расходятся, каждая сохраняет свои метальные группы, новосинтезированные цепи сразу метилируются особым ферментом "метилазой поддержания" в тех местах, где в исходной цепи есть метальные группы. Когда с помощью генной инженерии были получены неметилированные и метилированные варианты генов и введены в культивируемые клетки млекопитающих, наблюдалась экспрессия только первых. Это говорит о том, что характер метилирования не только регулирует активность, но и наследуется в ряду клеточных поколений. Модификация метилирование — деметилирование обратима. Этот механизм эпигенетической регуляции был предложен для объяснения феномена импринтинга хромосом, обнаруженного у млекопитающих в 80-е годы. Имеется определенный "эпигенетический код", в отношении которого одна и та же хромосома, пришедшая от мужского либо женского пола, не идентична. Пол накладывает свой отпечаток, импринтирует характер генной активности генного набора (Холлидей, 1989; Сапиенца, 1990; Баранов, 1988). Под хромосомным импринтингом понимают различные структурно-молекулярные изменения, происходящие во время оогенеза и сперматогенеза и приводящие к различиям в экспрессии гомологичных генов в зависимости от того, передаются ли они с материнскими или отцовскими хромосомами. Таким образом, хромосомы в соматических и половых клетках имеют наследуемые различия в экспрессии ряда генов, определяемые полом. Этот отпечаток "стирается" лишь во время мейоза. Формирование отпечатка достигается затем в зародышевом пути обратимым метилированием ДНК.
Пока не ясно, является ли метилирование ДНК универсальным механизмом. Это явление не обнаружено ни у нематод, ни у дрозофил, зато найдено у растений. Метилирование регулирует активность транспозонов кукурузы. Важно, что в целом явление эпигенетической хромосомной памяти универсально. Число фактов, показывающих его действие, увеличивается. И возможно, что из положения курьеза геномный импринтинг перейдет в ранг существенного механизма в работе генетического аппарата. Именно это случилось с нестабильностью генов и с мобильными элементами. Многое зависит от осмысленного целенаправленного поиска.
Ситуацию к началу 90-х годов прекрасно выражают слова Кармен Сапиенцы (1990): "Геномный импринтинг принято считать генетическим курьезом, затрагивающим лишь очень немногие признаки. Меня неоднократно спрашивали, почему я попросту трачу свое время (и, как подразумевалось, время вопрошающего) на столь незначительное явление. Всякий раз я отвечаю, что число признаков, подверженных влиянию геномного импринтинга, не известно, но, вероятно, очень велико. Обычно такой ответ вызывает удивленно скептический взгляд и коротенькую лекцию о законах Менделя, завершающуюся безапелляционным утверждением, что к большинству признаков геномный импринтинг не имеет никакого отношения. До какой-то степени эти критики правы. Если бы для большинства признаков существовала четкая зависимость их проявления от родителя, от которого унаследован соответствующий ген, генетики, несомненно, заметили бы это. Однако далеко не все признаки изучены одинаково подробно".
И далее К. Сапиенца разъясняет, в чем дело. При анализе менделевских закономерностей, в частности расщепления, обычно фиксируется ситуация: есть — нет признак, а если признак количественный, то граница "есть — нет" устанавливается по принятому порогу. "Но если выявить, какова экспрессия этих признаков, то обнаруживается, влияние геномного импринтинга" (выдел. мною — М. Г.)
Именно таков был подход П. Г. Светлова в его замечательной серии работ по наследованию характера изменений в экспрессивности гена после воздействия в критические периоды развития (Светлов, 1965, 1966). Эффект импринтинга им был четко установлен в работе, само название которой характерно: "Зависимость фенотипа микрофтальмической мутации мышей от внешних воздействий на женские гаметы двух предшествующих поколений" (Светлов, 1966). К великому сожалению, работы П. Г. Светлова не были продолжены, хотя они отличаются удивительной методической простотой и ясностью. Объяснение, видимо в том, что в то время эти работы казались периферийным курьезом. Лишь 1984 в сводке Р. Б. Хесина исследования П. Г. Светлова должным образом оценены (с. 217).
Термин "геномный импринтинг" описывает явления, когда немутационное изменение хромосомы предетерминирует ее поведение в ходе развития в зависимости от пола ("parent of origin effect"). В "Генетическом словаре" (King, Stansfield, 1997) parental imprinting или родительский импринтинг определяется как любое явление, при котором степень экспрессии гена у данной особи зависит от родителя, передающего данный ген. Зависимые от родителя эпигенетические изменения или импринты обычно "стираются", перепрограммируются, проходя мейоз (см. подробнее в гл. 7). Иными словами, импринтинг явление онтогенетическое. Могут ли импринты, однако, не стираться и передаваться через мейоз?
Первые факты такого рода были получены Бринком при исследовании парамутаций у кукурузы и Б. МакКлинток при изучении наследуемого изменения экспрессии мутаций, опосредованных транспозоном SpM (McClintock, 1965). В середине 90-х годов были получены, наконец, первые четкие молекулярно-генетические данные о прохождении эпигенетических изменений (импринтов) через мейоз у таких организмов как дрозофила и дрожжи. Выяснилось молекулярно-генетическое сходство таких явлений как мозаичный эффект положения и обычная онтогенетическая регуляция гомеозисных генов.
Вначале следует совсем кратко сказать о приоткрытой в 80-е годы молекулярной завесе над установленным в 30-е годы загадочным явлении мозаичного эффекта положения и его связи с конститутивным (облигатным) гетерохроматином. В 1966 было сделано различие между конститутивным или постоянно присутствующим в клетках гетерохроматином и факультативным, относящимся к определенным стадиям развития или типам клеток. Облигатный гетерохроматин составляют в основном прицентромерные блоки ДНК, образованные из тысячекратно повторенных фракций сателлитной ДНК. Облигатный гетерохроматин не транскрибируется, запаздывает в своей репликации (а в поли — тенных хромосомах слюнных желез двукрылых и вовсе недореплицируется) и выглядит в интерфазном ядре в виде максимально конденсированных, интенсивно окрашивающихся блоков.
Молекулярно-генетически было показано, что с облигатным гетерохроматином облигатно же связывается контролируемый геном Su(var)205 белок НР1, который и вызывает конденсацию (сиирализацию) повторенных блоков. Эффект положения возникает, когда какие-либо активные локусы вследствии перестройки оказываются по соседству с гетерохроматином. Эти локусы в ряде клеточных клонов вовлекаются в гетерохроматиновую спирализацию и инактивируются. Данный процесс статистический. Поэтому репрессия активности локусов в той или иной ткани носит мозаичный характер. Если белок-репрессор подавляет активность в какой-либо клетке, то это состояние способно поддерживаться в ряду клеточных поколений.
Основной структурный белок гетерохроматина НР1 состоит из 167 аминокислотой высококонсервативен, его аналоги обнаружили у мыши и человека. Другой структурный белок гетерохроматина кодируется геном Su(var)3–7, имеющим размер в 1169 н. п. и так называемый "домен цинковых пальцев" для присоединения к ДНК. Два белка действуют совместно, но не одни, а в составе мультипротеинового ансамбля. Об этом свидетельствует множество мутаций в разных локусах, которые либо супрессируют, либо активируют эффект положения разных генов. Причем, множество этих мутаций доминантно, они активны уже в гетерозиготах, (транс-эффект), что легко можно понять, ибо один белок-мутант способен повлиять на работу всего ансамбля, частью которого он является.
Молекулярно-генетические исследования по регуляции действия гомеозисных генов выявили принципиальное сходство этой регуляции с эффектом положения. Два основных сгустка или кластера генов Antp и Вx-С определяют становление сегментной организации тела у взрослых дрозофил. В каждом громадном по протяженности кластере (см. раздел 3.6) есть всего три структурных гена, занимающих лишь 5–7 % его длины, но зато большое число так называемых Response Elements (Реактивные Элементы). Эти элементы имеют длину 400–500 п. н., присоединяют к себе особые ДНК-связывающие белки и становятся либо репрессорами либо активаторами транскрипции данного гомео — зисного гена. Система работает по типу коммутатора, включая данный ген в данном сегменте в данный период развития. Гены группы Poly-comb (Pc-G) кодируют ДНК-связывающие белки репрессоры транскрипции гомеозисных генов, а гены группы Trithorax (Trx-G) кодируют ДНК-связанные белки активаторы транскрипции. В геноме дрозофилы по нескольку десятков генов групп Pc-G и Trx-G, разбросанных по разным хромосомам. Гены каждой группы действуют в составе белковых ансамблей (мультипротеиновых комплексов), которые имеют сродство к соответствующим реактивным RE-элементам. Нередко места посадки активаторов и репрессоров соседствуют или перекрываются, так что возникает своего рода динамическая конкуренция за сайты посадки.
Оказалось, что подавляющее большинство найденных гомеозисных мутаций на самом деле относятся к мутациям либо происходящим в области посадки, либо затрагивающие гены ДНК-связывающих белков, которые относят к факторам транскрипции (негативных или позитивных регуляторов транскрипции). Если при мутациях репрессия не срабатывает, то "неуместная" (не в том месте или эктопическая) активация гена приводит к появлению структуры, характерной совсем для другого сегмента. Так, комбинацией двух гомеозисных мутаций Эдвард Льюис получил знаменитых дрозофил с четырьмя крыльями.
Столь же замечательная трансформация получена в лаборатории Вальтера Геринга в Швейцарии: появление дополнительных глаз на месте ног, крыльев, или антенн. Основной каскадно запускающий развитие глаз ген eyeless с помощью транспозона вставлялся в разные участки генома и становился активным там, где в норме он должен был быть репрессированным (см. детали Haider, et al., 1995, Корочкин, 1999).
Процесс гомеозисной и, как становится очевидно, любой другой генной регуляции включает два основных события.
1. Установление (Establishment), когда при конкурирующем взаимодействии ансамблей белков активаторов и репрессоров в данном локусе устанавливается определенный уровень активности.
2. Поддержание (Maintenance) этого уровня, коль скоро он установился, в клонах дочерних клеток.
Возможны разные варианты этих двух структурно-динамических ген-регулирующих событий, определяющих активность гена. Например, транскрипция гена устанавливается на высоком уровне, но поддержание нестабильно. Это ведет к мозаичности проявления. Или уровень транскрипции может быть слабый, но зато он стабильно поддерживается.
Феноменологическое сходство явлений мозаичного эффекта положения, зависимого от гетерохроматина и обычной онтогенез-регулируемой негативной регуляции генной активности, получило подтверждение на молекулярном уровне. В обоих случаях обнаружены определенные белки, вызывающие компактизацию либо больших областей либо локальных доменов хромосом (Hennig, 1999). Более того, оказалось, что репрессорные белки группы Polycomb и основной структурный белок гетерохроматина дрозофилы НР1 имеют сходный участок в 50 н. п., названный хромодомен. Этот же домен обнаружен и в белках, вызывающих глушение (или сайленсинг — silencing) генов у дрожжей (Klar, 1998).
Термин silencing впервые появился в общегенетическом контексте в 1975 году (Sager, Kitchin, 1975). Он закрепился в дрожжевой генетике в начале 90-х годов, когда были установлены специальные локусы, вызывающие селективное глушение генов, которые определяют тип спаривания дрожжей. Далее селективное глушение генов было обнаружено в опытах по трансгенозу у растений. Наконец, термин оказался удобным и для обозначения селективной репрессии (глушения) гомеозисных генов в ходе онтогенеза у дрозофилы. Теперь становится очевидно, что сайленсинг у дрожжей и растений — это часть более общей классической проблемы эффекта положения и гетерохроматизации (Hennig, 1999).
Поскольку этот термин еще не вошел даже в новейший генетический словарь (King, Stansfield, 1997, с. 669) то приведем его определение, сделанное редакторами тома работ по эпигенетической регуляции (Epigenetic mechanisms of gene regulation, 1996): Gene silencing или сайленсинг — это "инактивация экспрессии гена, которая вызвана не мутацией, а скорее эпигенетической модификацией, например, метилированием или изменением хромосомной структуры. Инактивированное состояние в большинстве случаев наследуется, но оно обратимо при некоторых воздействиях, например, при обработке ингибиторами метилирования ДНК".
Особо принципиальное значение имеют впервые полученные на дрозофиле данные по наследованию через мейоз наследуемых эпигенетических вариаций или эпимутаций. Для этого использовались искусственные генно — инженерные конструкты с геном-репортером white (степень окраски глаз дает "видимый репортаж", сведения о степени активности генов, включенных в данный конструкт). Такие конструкты обрамляют по краям повторами из Р-транспозона, в результате чего они получают удивительную способность при простой инъекции ДНК-конструкта на ранних стадиях развития встраиваться в разные локусы.
Репрессорный PRE-элемент Fab–7 из гомеозисного комплекса ВХ-С одновременно поставили в соседство с выделенным из дрожжей активатором транскрипции GAL4. Иными словами ген white находился в динамической системе, где один ДНК-связывающий белок его активирует, а другой подавляет. Дрозофильный репрессор Fab–7 обычно действует сильнее дрожжевого промотора, и поэтому окраска глаз у большинства трансгенов была слабо-желтая вместо красной в норме. При действии теплового шока на ранние стадии развития у части потомства глаза становились красными, ген white активировался. И это состояние в 25–30 % случаев устойчиво передавалось потомству уже без всякого воздействия! При этом наследование наблюдалось лишь по материнской линии, что и следовало ожидать. Именно такого рода события предсказывались в случае эпимутаций и явлений динамической наследственности (Светлов, 1965; Чураев, 1975; Голубовский, Чураев, 1997; Голубовский, 1997).
Сходные явления обнаружил в серии своих исследований американский генетик Амар Клар при изучении регуляции и переключения генов типа спаривания у дрожжей. В прицентромерной области дрожжевой хромосомы был найден кластер генов-репрессоров транскрипции (сайленсеры). Причем, любые гены, попадающие в соседство с ними, становились неактивными. В составе белков таких генов-глушителей были обнаружены хромодомены, найденные до того у белков, входящих в состав облигатного гетерохроматина дрозофилы и вызывающих эффект положения. Очевиден вывод, что глушение (сайленсинг) генов у разных организмов возникает путем образования гетерохроматин-подобных локальных доменов, где глушится активность любого гена.
Выводы, к которым пришел А. Клар из своих работ по генам сайленсинга у дрожжей и генов типа Polycomb у дрозофилы весьма напоминают аналогичные выводы Сапиенцы из его работ 80-х годов по импринтингу (см. выше): "Эпигенетическое наследование через зародышевый путь — не такая уж редкость… На мой взгляд, используя выбранную модельную систему, мы обнаружили лишь верхушку айсберга. Такие мейотически наследуемые эпигенетические состояния вероятно превалируют и важны для развития, видообразования и для поддержания целостности генома… Мы можем ожидать, что коль скоро наследование через мейоз эпигенетических состояний станет частью нашего мышления (a part of our mindset), то выплывут на поверхность и другие необъяснимые и необычные случаи из генетики" (Klar A., 1998). Иными словами, важна "установка" (mindset), и случаи эпигенетического наследования станут регулярно обнаруживаться. Это, в частности, продемонстрировано при целевом квалифицированном генетическом анализе у растений (Малецкий, Колодяжная, 1999).
4.7. Сопоставление трех форм изменчивости: мутационной, вариационной и эпигенетической
В табл. 4 сопоставлены особенности трех форм наследственной изменчивости эукариот: мутационной, вариационной и эпигенетической. Первые две связаны с изменением структурных компонентов генотипа, однако, между ними есть различия в способах хранения и передачи наследственной информации. Для вариационной изменчивости важным в смысле кодирования может быть определенная доля той или иной фракции ФК по отношению к ОК. Так оказалось, что доля МГЭ в геноме дрозофил есть величина относительно постоянная: состав МГЭ может сильно варьировать от линии к линии, но важно, чтобы общая доля МГЭ оставалась неизменной (Ананьев, 1984). За этим стоит принцип "единство целого при свободе частей" (Любищев, 1982). Он проявляется не только на морфологическом, но и на молекулярном уровне.
Выделение трех типов организации генетической памяти и трех типов изменчивости (мутационная, вариационная и эпигенетическая) интересно сопоставить с некоторыми общими принципами эволюционирующих систем и биологической памяти. Сформулирован принцип, что любая эволюционирующая система, которая находится во взаимодействии со средой, вычленяет из себя подсистемы с постоянной и оперативной памятью. Таковы пары ДНК — белок, ядро — цитоплазма, половые клетки — сома, женский пол — мужской. Здесь первый компонент выполняет эволюционную задачу сохранения, а второй — изменения. Обеспечивая информативный контакт со средой, элементы оперативной памяти должны обладать большей дисперсией свойств по сравнению с элементами постоянной памяти (Геодакян, 1972).
Подразделение структуры генома эукариот на две подсистемы ОК и ФК прекрасно соответствует данному принципу. Ему следует даже внутреннее строение генов эукариот: экзоны выступают как бы в роли облигатного компонента, а игароны — факультативного. Факультативность пронизывает не только все стороны организации, но и вообще весь ход матричных и генетических процессов, о чем будет идти речь далее. Белки тоже организованы по принципу подразделения на константные и факультативные части, что в наиболее яркой форме проявляется в организации иммуноглобулинов, обеспечивающих адекватный иммунный ответ ко всем непредвиденным и незапрограммированным антигенам (Хесин, 1984).
В организации деления генов на экзоны и интроны, а белков на блоки или домены можно видеть проявление принципа блочности или иерархичности, что характерно для целесообразного поведения. В ответ на вызов среды происходит не случайный перебор элементов (точковых мутаций), а комбинация "осмысленных" блоков. В структуре генома такая комбинация осуществляется за счет мобильных элементов и обменов в местах гомологичных повторов. Наблюдается удивительная параллель между эволюцией генетических и физиологических систем.
Эволюционно-физиологическая концепция А. М. Уголева представляет организацию сложных физиологических функций "как некоторую систему различных комбинаций элементарных функций, реализуемых универсальными функциональными блоками, число которых ограничено… В ходе эволюции хотя и имели место изменения функциональных блоков, ее основной, наиболее быстрый, важный и эффективный путь состоял в рекомбинации этих блоков и поисках их новых оптимальных комбинаций" (Уголев, 1994).
Важнейший принцип биологической памяти — существование альтернативных программ поведения и ассоциативность, когда каждая программа связана или ассоциирована с некоторыми условиями запуска (Верховский, 1984). Так организована память мозга и эти же принципы действуют и в организации и функционировании генома. Сформулировано интересное представление о "фенотипическом окне генома" (термин А. С. Серебровского), как системе взаимодействия генов или генетических программ, которые открываются в ответ на определенные сигналы среды (Лабас, Хлебович, 1976). Возникновение и запоминание альтернативных программ может быть основано на эпигенной организации ключевых генетических локусов, на их способности к смене состояния в ответ на сигнал со стороны внешней или внутренней среды (Пташне М., 1988).
Thaler (1994) кратко суммировал возможные молекулярно-генетические механизмы, способные привести к неслучайной или определенной наследственной изменчивости. Генные системы, которые контролируют метаболизм самой ДНК (ее репарацию, транскрипцию, репликацию и т. д.), весьма чувствительны к физиологическому состоянию клетки или организма, особенно к действию агентов, ограничивающих размножение или деление клеток. Среда, изменяя физиологическое состояние организма или клетки, способна влиять на работу генов метаболизма ДНК и, опосредованно, на скорость и спектр наследственных изменений.
В эволюции могут создаваться ассоциативные генетические прямые и обратные связи, когда в ответ на определенное стрессовое средовое воздействие организм или клетка с повышенной частотой генерирует адаптивные изменения. Типичным примером является запуск многих генов SOS-репарации бактерий в ответ на однонитевые повреждения ДНК и переход фага из лизогенное в литическое состояние при запуске этих же генов. Другие подобные примеры: индукция мейоза у дрожжей при голодании, или эпигенетические "предраковые" изменения клеток, предрасполагающие их к повышенному мутагенезу при действии канцерогенных факторов-цитостатиков (Cuthill, 1994). Такого рода ситуации Thaler (1994) условно определил как "genetic intelligence" или "генетический интеллект".
Проблема поведения и его регуляции может быть с успехом рассмотрена уже на клеточном уровне (В. Я. Александров, 1970). При более далеких аналогиях можно видеть в организации клеточной наследственной памяти зачатки целесообразного поведения, которые обозначаются применительно к поведению человека как эрудиция и ум. Клеточная "эрудиция" — хранение большого набора программ, клеточный "ум" — способность в соответствующих условиях включать соответствующую программу" (Верховский, 1984).
Существенно важно, что вариационные и эпигенетические изменения могут быть вызваны относительно слабыми, не мутагенными факторами. Сюда относятся, например, онтогенетическая адаптация и внутриклеточная регуляция. В то же время здесь возможны массовые определенные наследственные изменения, которые могут наследоваться неменделевским способом.
Таблица 4. Разные типы организации наследственной памяти
