За последние 45 лет мы стали свидетелями бурного роста новой области науки — молекулярной генетики. Она преобразует наши представления о механизмах наследственности и эволюции жизни на Земле. Пора проанализировать уроки этого периода и изложить их в доступной для широкого круга читателей форме. Революционные представления Чарлза Дарвина о естественном отборе как главной движущей силе эволюции сейчас превратились в догму. Обновление наших взглядов на эволюцию требует учета данных, полученных молекулярной генетикой, особенно — молекулярной генетикой иммунной системы. К концу двадцатого столетия в этой области молекулярной биологии выходит на сцену и становится рядом с Чарлзом Дарвином другой «дедушка» эволюционной теории, французский биолог Жан Батист де Ламарк. Поэтому сейчас следует рассмотреть идеи и проблемы, еще недавно казавшиеся еретическими: Работает ли принцип Ламарка в Природе? Насколько проницаем барьер Вейсмана? (теоретический барьер между клетками тела и половыми клетками — сперматозоидами и яйцеклетками). Могут ли наследоваться приобретенные признаки ? Если да, можем ли мы описать процесс такого наследования молекулярными терминами ?
Тридцать лет назад эти вопросы поставил в серии ярких, умных книг крупный ученый и философ Артур Кестлер (Koestler). Мысли и слова, высказанные им, не были гласом вопиющего в интеллектуальной пустыне; более того, некоторые из его научных догадок вызвали живой интерес среди ученых.
В научной картине «внутреннего мира» клеток и молекул иммунной системы неоламаркистские представления об обратной связи генов сомы и зародышевой линии давно занимают видное и законное место. В этой книге мы покажем, как можно языком молекулярной генетики описать явление соматического гипермутирования генов антител и предполагаемый процесс переноса информации от сомы к половым клеткам.
Мы также исследуем применимость наших толкований к органам и тканям вне иммунной системы. Пока еще рано делать окончательные заключения, однако, можно сформулировать четкие вопросы и некоторые выводы, важные для будущих научных исследований.
Сам Чарлз Дарвин 130 лет назад создал модель наследования приобретенных признаков. Свои представления о наследовании он назвал теорией пангенезиса, которая имела заметные ламаркистские черты. Мы подробно опишем и этот малоизвестный исторический факт, и бурную историю развития идей Ламарка, и отношение к ним на протяжении девятнадцатого и двадцатого столетий. По нашему мнению, острые споры о механизме эволюции гораздо более плодотворны для развития эволюционной теории, нежели рабская привязанность к неодарвинизму, превратившая в заклинание бесконечное повторение одного и того же тезиса: «Эволюция идет только путем естественного отбора случайных мутаций». (Мы имеем в виду труды Ричарда Докинза (Dawkins) и Дэниеля Деннета (Dennet).
Мы постараемся, не злоупотребляя научными терминами, объяснить читателям основные положения молекулярной генетики, быстро изменяющей наш взгляд на мир. Важные определения и биохимические термины приводятся в сопровождающих текст таблицах и рисунках. Если вы столкнетесь с незнакомыми терминами, советуем обращаться к словарю в конце книги.
Мы обсудим следующее важнейшее утверждение: измененные гены соматических клеток (клеток тела) могут встраиваться в геном половых клеток (яйцеклеток и сперматозоидов) и наследоваться потомками в соответствии с генетическими законами. По существу, это молекулярная версия идеи о наследовании приобретенных признаков, четко сформулированной Ламарком и позже принятой Дарвином в его теории пангенезиса.
В центре внимания этой книги будут научные исследования, которые, по нашему мнению, заставляют пересмотреть общепринятую точку зрения на поведение генов. Генетика все глубже проникает в сложные молекулярные процессы, находящиеся в самом сердце механизма наследственности. Однако мы сразу хотим подчеркнуть, что пока все наши выводы основываются на анализе работы иммунной системой позвоночных (тип Vertebrata).
Традиционное, и в целом правильное, представление о генетических механизмах эволюции основано на главном предположении Чарлза Дарвина. Он считал, что изменчивость между видами и в пределах вида определяется наследственными особенностями составляющих их особей. «Орудующая» в природе «смерть-старуха» забирает слабых и оставляет наиболее приспособленных. Именно этот процесс называется естественным отбором. В колоссальной предсуществующей изменчивости, часто едва заметной, можно обнаружить, например, различия между особями по размерам тела, пищевым потребностям или по способности избегать хищников. Наиболее приспособленные выживут и передадут свои признаки потомкам. Таким образом, естественный отбор действует на имеющуюся в популяции организмов наследственную изменчивость. В современной трактовке единственный тип генетических изменений, допускаемый в данной схеме, — это случайные мутации генов в половых клетках (яйцеклетках и сперматозоидах). Именно это составляет суть оставленного Чарлзом Дарвином наследия, изложенного в его книге Происхождение видов, опубликованной в 1859 г. Это — его вклад в современные представления о механизмах эволюции, приведшей к появлению высокоорганизованных растений и животных. Основы современной неодарвинистской теории суммированы в табл. 1.1.
Теория естественного отбора доминировала в нашем мышлении и направляла развитие генетики и теории эволюции в течение большей части двадцатого столетия. Однако логически последовательный механистический принцип эволюционных изменений бьш впервые сформулирован французским биологом Жаном Батистом Ламарком в 1809 г., за пятьдесят лет до опубликования Происхождения видов Дарвина. Именно Ламарка можно считать отцом идеи превращения видов. Он не представлял себе механизма, основанного на естественном отборе, но очень четко сформулировал мысль о том, что приобретенные признаки могут быть переданы следующим поколениям — идею, которую потом долго разделяли многие биологи и философы. Попросту говоря, это означает, что изменившиеся у какого-нибудь животного размер или форма тела, например, в результате изменения питания или пищевых привычек, могут быть переданы его потомкам.
Основные положения традиционной неодарвинистской теории эволюции
• Наследственность
Генетический материал (ДНК) может передаваться неизменным от поколения к поколению.
• Мутации
Изредка в ДНК возникают стойкие изменения - мутации. Чарлз Дарвин называл такие изменения наследственной информации спортами. Например, замена А основания на G приводит к появлению новой последовательности нуклеотидов в данном участке хромосомы, и, соответственно, в информационной РНК. Это приводит к изменению последовательности аминокислот в белке и, следовательно, к изменению его структуры и/или функции. Мутации служат постоянным источником новой генетической информации, на которую может действовать отбор. Полагают, что подобные изменения последовательностей нуклеотидов редки.
• Случайная передача отцовских и материнских хромосом потомку
Оплодотворенная яйцеклетка, из которой развивается человеческий эмбрион, имеет 46 хромосом. В репродуктивных органах (семенниках и яичниках) половозрелых людей происходит особое деление клеток (мейоз), в результате которого число хромосом уменьшается вдвое (гаплоидное число 23). Гаплоидный набор хромосом упаковывается в сперматозоиды у мужчин и в яйцеклетки у женщин. При оплодотворении число хромосом восстанавливается до 46 (диплоидное число). Потомок получает от каждого из родителей 23 случайно выбранные хромосомы, которые родители в свою очередь унаследовали от своих родителей. Все яйцеклетки содержат половую хромосому одного типа, а именно Х-хромосому. В сперматозоидах содержатся либо Х-, либо Y- хромосома. Набор половых хромосом XX определяет женский пол плода, XY - мужской. Все остальные признаки детерминируются случайным сочетанием хромосом. Таким образом, наши обычные житейские наблюдения над детьми справедливы, и если нам кажется, что у «Тома мамино лицо, но папины руки!», значит так оно и есть.
• Рекомбинация
У видов, размножающихся половым путем, физический обмен (кроссинговер, или рекомбинация) между отцовскими и материнскими хромосомами, который происходит во время образования гамет (сперматозоидов и яйцеклеток), вызывает перетасовку существующих последовательностей ДНК. Этот процесс приводит к появлению новых комбинаций наследственных признаков у потомков.
• Естественный отбор и эволюция
Не все генетически разные организмы размножаются одинаково, т.е. с одинаковой скоростью. Условия среды отбирают более приспособленные организмы и дают им селективные преимущества. Если бы не было отбора, не было бы и общих генетических изменений. Эволюция, следовательно, является результатом взаимодействия генетического материала с внутренними (клеточными, внутри организма) и с внешними условиями развития организма и может быть представлена как отбор комбинаций генов, имеющих наибольшую приспособленность.
• Изоляция
В больших популяциях свободное скрещивание между разными генотипами, расширяющее пул генов, в котором действует естественный отбор, невозможно из-за внутренних и внешних изолирующих факторов. Самым простым является географическое отделение потомков от общего предка. Например, некогда единая популяция вьюрков на островах Галапагосского архипелага со временем разделилась на изолированные, небольшие, инбредные популяции. Дарвин заметил, что именно это оказалось важнейшим условием появления новых видов.
• Дрейф
Последовательности ДНК, различаются ли они по большому участку или по одному нуклеотиду, могут быть потеряны по случайным причинам. Генетический дрейф является частью случайного фонового шума, изменяющего сложившийся состав последовательностей ДНК в популяции.
• Барьер Вейсмана
Приобретенные соматические модификации у многоклеточных организмов не могут наследоваться.
Итак, мы представили вам две, отнюдь не несовместимые, концепции. Первая — традиционная неодарвинистская теория о том, что важная для эволюции генетическая изменчивость существует до того, как подействует селективная сила (естественный отбор). И вторая — традиционно отвергаемая ламарков-ская теория о том, что генетическая изменчивость возникает одновременно с отбором. Последняя концепция особенно важна для процессов, протекающих в иммунной системе, для которых селективная сила, или стимул внешней среды (инфекционное заболевание), действует одновременно с появлением новых генетических вариантов.
Таким образом, исторически всегда существовал альтернативный (ламаркисткий) взгляд на механизм эволюционных изменений. Этот механизм легко объясняет, почему некоторые виды смогли очень быстро генетически измениться при внезапных изменениях среды, во время катастроф; также легко объяснить быстрое создание разных пород домашних животных. В этой книге мы рассмотрим, насколько реальны такие изменения с позиций молекулярной генетики. Мы ни в коем случае не утверждаем, что идея Дарвина о естественном отборе случайной предсуществующей изменчивости неверна. Наоборот, мы стремимся доказать, что дарвиновская идея чрезвычайно важна для ламаркистской концепции обратной связи генов сомы и зародышевой линии. По-видимому, правы и Дарвин, и Ламарк. Их взгляды дополняют друг друга. Именно это мы попытаемся продемонстрировать с помощью создаваемой нами теории эво-люционно-генетических изменений иммунной системы.
Это же исторический факт, что сам Чарлз Дарвин, а до него его дед, были ламаркистами. Дарвин разделял идею Ламарка о наследования приобретенных признаков. Ламаркистские доводы об упражнении и неупражнении органов появляются во многих местах его Происхождения видов (1859). Через десять лет после выхода этой книги он публикует теорию пангенезиса [З]. Этот его вклад в науку часто вычеркивается из научной литературы неодарвинистами, которых, по-видимому, сильно задевает тот факт, что основатель теории естественного отбора нашел необходимым воспользоваться ламаркистской «ересью» для объяснения причин генетической изменчивости. Основой для этой теории послужили прекрасные наблюдения Дарвина над изменчивостью и приспособленностью растений и особенно животных в ходе одомашнивания: «Измененные условия вызывают последствия, передающиеся по наследству, например, изменение периода цветения растений, перенесенных из одного климата в другой. У животных усиленная работа или неиспользование каких-то органов оказывают существенное влияние; так, я заметил, что у домашней утки кости крыла весят меньше, а кости ног больше по отношению ко всему скелету, чем те же кости у дикой утки, и это отличие можно с уверенностью приписать тому, что домашняя утка гораздо меньше летает и больше ходит, чем ее дикие предки... .Значительное наследуемое развитие вымени у коров и коз в тех странах, где этих животных обычно доят, по сравнению с животными в других странах, представляет, вероятно, другой пример последствий активной работы, органа»
Рис. 1.1. Теория пангенезиса Чарльза Дарвина, 1868. Теория пангенезиса предложена Чарльзом Дарвином для объяснения причин биологической изменчивости, на которую действует естественный отбор. Основная идея его теории «упражнения и неупражнения» заключается в повышении активности органа-мишени, вызванной стимулами внешней среды (например, токсинами в изменившейся пище). Измененная метаболическая активность ткани-мишени (в данном случае, печени) приводит к приспособлению, далее, согласно теории, из этого органа выделяются «геммулы», или «пангены», которые попадают в кровеносную систему и из нее в половые клетки. Таким образом, измененная функция органа фиксируется в половых клетках и наследуется потомками. Следовательно, Дарвин предположил ламаркистский механизм генетической передачи приобретенных признаков.
В 1868 г. Дарвин пришел к заключению, что соматические изменения, появляющиеся в результате специфического приспособления, стимулируют клетки органа-мишени к выделению некоего наследственного материала в форме, которую он назвал геммулами (или пангенами). Геммулы — это представители каждой нормальной или измененной части тела. Онивыделяются активным органом в кровоток, и, циркулируя по телу, могут попадать в половые клетки и передаваться следующему поколению. Рис. 1.1 иллюстрирует теорию пангенезиса Дарвина. Как мы покажем в следующих главах, Дарвин предвидел не только естественный отбор случайных изменений, но и роль выделяемых телом геммул, записывающих наследуемый эффект, как мы говорим сейчас, на ДНК зародышевой линии.
В 1977 г. Тед Стил предложил гипотезу соматического отбора, которая представляет собой современную молекулярную точку зрения на идею пангенезиса (Steele, 1977). Согласно этой гипотезе, эволюция генов вариабельных участков антител происходит через преодоление вейсмановского барьера, т. е. в результате обратной связи генов сомы (тела) и зародышевой линии. Этот механизм допускает появление новых генетических вариантов в ответ на внедрение микробов из внешней среды. Таким образом, гипотеза соматического отбора представляет собой версию ламарковского наследования, основанную на современных молекулярных данных. Вначале эта идея многими была признана как «еретическая». Однако появившиеся за последние двадцать лет данные изменили отношение к ней. Сейчас нет сомнений в том, что в результате активации антигенами вторгнувшегося инфекционного агента гены, кодирующие белки (антитела), необходимые для распознавания чужеродного агента, подвергаются в соматических клетках быстрому мутиро-ванию (гипермутированию). Самые последние исследования подтверждают то, что мутантные гены антител попадают в ДНК зародышевой линии в результате процесса обратной транскрипции. На рис. 1.2 показано, как соматические изменения могут включаться в ДНК половых клеток.
Рис. 1.2. Предполагаемый механизм соматического отбора в иммунной системе.
1. Множество разнообразных В-лимфоцитов существует до того, как чужеродный антиген попадает в организм. Каждая клетка экспесси-рует на своей поверхностной мембране антитела одной специфичности. Гены вариабельной V-области кодируют те участки антитела, которые образуют антигенсвязывающий центр (как показано на рисунке). Чужеродный антиген связывается с В-клетками, имеющими комплементарное антитело — таким образом, эти клетки «отбираются» в дарвиновском смысле («клональная селекция»).
2. После связывания антигена В-клетка активируется и делится, давая потомков, которые в свою очередь тоже делятся. В результате образуется множество идентичных дочерних клеток — клон. Все клетки клона экспрессируют одинаковые антитела («клональная экспансия»). В отдельных клетках этого клона гены вариабельной области могут мутировать (соматические мутации). Эти клетки в свою очередь могут быть отобраны антигеном для образования нового клона.
3. Внутри клеток клона создаются РНК-копии генов вариабельной V-области. Зрелые молекулы информационной РНК переходят в цитоплазму, где они транслируются в последовательности аминокислот, составляющие белковые цепи антитела
4. Молекулы РНК V-генов (ядерные или цитоплазматические) могут «захватываться» безвредными эндогенными РНК-ретровирусами (продуцируемыми клеткой). Вирусный фермент обратная транс-криптаза может синтезировать ДНК-копию этой РНК (эта копия ДНК называется ретротранскриптом, или кДНК).
5. Копии V-генов антител с помощью вирусов переносятся в сперматозоиды или яйцеклетки, встраиваются в ДНК половых клеток (зародышевой линии) и передаются потомкам, (см. гл. 6)
Открытие в конце 1950-х г. Говардом Теминым (Temin) феномена обратной транскрипции поначалу вызвало сомнение. Однако после присуждения в 1975 г. Темину и Балтимору (Baltimore) Нобелевской премии этот процесс признан всеми как важный элемент репликации ретровирусов (таких, как ВИЧ) и некоторых других событий в клетке. (Свое название ре-тровирусы получили вследствие того, что у них поток генетической информации направлен от РНК к ДНК, т. е. в направлении, обратном существующему во всех живых клетках — от ДНК к РНК.) Главная цель этой книги — показать, как новые данные молекулярной генетики разрушают построения неодарвинистов, рассматривающих отбор случайных генетических вариантов в качестве единственного фактора эволюционных изменений. Мы хотим доказать актуальность новой теории эволюции иммунной системы, основанной на объединении концепций Дарвина и Ламарка.
Почему же точка зрения Ламарка вызвала столько споров? В наши планы не входит полный анализ этого вопроса, однако некоторые исторические моменты борьбы дарвинизма и ламаркизма все же следует отметить. Во-первых, в 1885 г., через три года после смерти Дарвина, немецкий биолог Август Вейсман (Weismann), отвечая на вызов, брошенный теорией пангенезиса, провозгласил существование барьера между соматическими и половыми клетками (рис. 1.3), защищающего половые клетки от любого изменения тела. Вейсман пытался проверить, могут ли наследоваться приобретенные родителями увечья. Например, он вырезал аппендикс или другую ткань и показывал, что потомство не наследует этих нарушений. Но любой мыслящий человек и без этого знает, что иудейская традиция обрезания ни разу не привела к рождению мальчика без крайней плоти. Вейсман провел и другие эксперименты, в частности, с гидрой (Hydra). Однако наиболее известна его работа по отрубанию хвостов у только что родившихся крысят. В длившихся много поколений экспериментах Вейсман показал, что отрубание хвостов никогда не приводило к появлению бесхвостого потомства. Ученые, критиковавшие этот эксперимент, указывали, что такими опытами нельзя проверить идею Ламарка. Короткий обрубленный хвост — это модификация, индуцированная не крысой. А по Ламарку наследоваться могут только модификации, индуцированные ответом организма на условия среды. Если бы Вейсман изучал поведение потомков от крыс, лишенных хвостов, он вполне мог бы наблюдать мелкие наследственные модификации поведения (например, при кормлении, чистке, передвижении).
Рис. 1.3. Барьер Вейсмана. В 1885 г Август Вейсман провозгласил существование тканевого барьера, защищающего половые клетки от любого влияния сомы. На языке современных терминов это можно сформулировать так: мутации в соматических клетках (клетках тела) никогда не передаются в клетки зародышевой линии (репродуктивные клетки).
Существование вейсмановского барьера было якобы неопровержимо доказано в 1911 г. работой Кастла и Филлипса (Castle, Phillips) из Гарвардского университета. Они удалили яичники у белой морской свинки (альбиноса) и пересадили ей яичники черной морской свинки [4]. Белая мать-реципиент при скрещивании с нормальным белым самцом дала несколько черных потомков в течение шести-двенадцати месяцев после операции. Точно такой же результат наблюдался бы при скрещивании белого самца с черной самкой. Таким образом, новая «белая» сома не оказала никакого влияния на половые клетки в пересаженных «черных» яичниках. Однако подобные «острые» эксперименты можно критиковать по тем же причинам, что и отрубание хвостов. Нет никаких причин предполагать, что адаптивный ответ самок с пересаженными яичниками должен быть связан с генетическим контролем окраски шерсти.
Гипотезу Ламарка пытался доказать австрийский биолог Пауль Каммерер (Kammerer). Эта работа имела трагические последствия. Каммерер сообщил, что изменение полового поведения и некоторых других инстинктов у морских животных и земноводных может приводить к появлению потомства, имеющего те же поведенческие или морфологические черты, которые приобрели их родители в течение жизни. Его наиболее известные эксперименты проведены на жабах-повитухах Alytes obstetricians. Большинство видов жаб и лягушек спариваются в воде. Самцы этих видов крепко захватывают самку и долго (дни и недели) удерживают ее до тех пор, пока она не отложит икру.
Для того чтобы удерживать скользкую самку, у самцов на ладонях и пальцах имеются мозолистые и ороговевшие брачные бугорки. Alytes спариваются на суше, у них нет таких бугорков, так как кожа самок сухая и грубая. Пауль Каммерер обнаружил, что, если Alytes заставить спариваться в воде, как это делают другие жабы, то через несколько поколений у них появляются брачные бугорки. Это и есть приобретенный наследственный признак.
В начале двадцатого века эти эксперименты вызвали острую полемику, которая, в конце концов, завершилась тем, что профессор Кембриджского университета Вильям Бэтсон (Bateson) обвинил Каммерера в фальсификации. Артур Кестлер в своей книге Case of Midwife Toad («Дело жабы-повитухи») приводит документы по этому трагическому делу и утверждает, что обвинения не были в достаточной мере доказаны. Но удар был нанесен, и не выдержав оскорбления, в 1926 г. Каммерер покончил жизнь самоубийством. Недавно Марк Гиллман (Gillman) проанализировал этот исторический эпизод в книге Envy as a Retarding Force in Science, 1996 («Зависть как тормоз в науке»).
Еще одной исторической причиной, по которой ламаркистское мышление стало «закрытой зоной» в науке, можно считать разгром советской генетики в 40-е гг. Иосиф Сталин поручил селекционеру Т. Д. Лысенко улучшить сельское хозяйство в СССР. К сожалению, пытаясь продемонстрировать увеличение урожая зерновых с помощью приема, названного яровизацией, Лысенко применил неапробированную процедуру. Этот прием заключался в различных способах обработки семян, например, изменении температуры и питания во время прорастания. Он использовался для получения более продуктивных растений, из семян которых, по утверждению Лысенко, вырастают растения лучшего качества. Но лысенковский подход к возрождению идей Ламарка заставил отвернуться от него западньк ученых и генетиков, работающих в Советском Союзе. Проблема противостояния была решена печально известными жестокими преследованиями научных оппонентов Лысенко [5].
Мы считаем, что все эти обстоятельства истории науки и общества надолго затормозили рациональное развитие идей Ламарка, которые сейчас выливаются в представления об обратной связи генов.
Важно упомянуть еще два момента, оказавших влияние на развитие биологической науки. Первое — это, не побоимся сказать, обожествление Дарвина, особенно в Британии. Дарвина превратили в икону, однако мы полагаем, что на определенном этапе это было действительно необходимо для того, чтобы внедрить в умы человечества ключевую идею о естественном отборе случайных изменений. Без этой концепции было бы трудно объяснить многие биологические явления, будь то Ц структура популяции, изменчивость генов или работа иммунной системы. Это было необходимо для противостояния наивному креационизму, утверждавшему, что все виды возникли одновременно и относительно недавно.
Согласно дарвиновской теории эволюции, для появления новых форм и видов необходимо длительное время. Этот факт согласуется с данными современных палеонтологических и геологических исследований. Действительно, между всеми существующими в настоящее время живыми организмами установлено молекулярно-эволюционное родство. Получение данных, позволивших сделать столь важные заключения, стало возможным благодаря появлению в конце 80-х гг. приборов для автоматического определения последовательности нуклеотидов в ДНК (ДНК-секвенаторы). Новая технология дала возможность генетикам и молекулярным биологам получать точную информацию о большом числе генов (о последовательности нуклеотидов в ДНК). Большая часть этих данных собрана в обширных общедоступных базах данных в Интернете, например в .
Присуждение в 1993 г. Нобелевской премии по химии Кэри Маллису (Mullis) за открытие и разработку метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) подчеркивает важность новых технологий в получении научного знания. Метод ПЦР используется с конца 1980-х годов. Он дает возможность увеличивать число копий отдельного участка ДНК в миллионы раз. После этого с помощью секвенатора можно легко определить порядок нуклеотидов A, G, С и Т в этом фрагменте (определения терминов даны в табл. 1.2). Метод ПЦР стал для генетиков новым мощным «телескопическим» средством, позволяющим увидеть молекулярное строение и информационное содержание различных последовательностей нуклеотидов. Именно метод ПЦР, который можно назвать «генетическим копированием», побудил к созданию книги и фильма «Парк юрского периода», показав возможность (пока нереальную) того, что сохранившиеся древние ископаемые останки ДНК можно размножить, а затем с помощью клонирования «воскресить» вымерших животных.
Основные генетические термины
• ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Очень длинная полимерная молекула, состоящая из четырех типов нуклеотидов, содержащих информационные «основания» А (аденин), G (гуанин), С (цитозин) и Т (тимин). Хромосомы представляют собой длинные последовательности ДНК, включающие миллионы оснований (в клетках эукариот хромосомная ДНК соединена с белком). Молекула ДНК в хромосоме находится в форме двухцепочечной спирали (см. гл. 2). Символически последовательность нуклеотидов в ДНК можно записать так:
5'-AGCTTATTGCATAAGCGCGAT-3'
• 5'и3'
Это - обозначения соответственно левого и правого концов последовательности оснований ДНК или РНК.
• Генетический код
Участок ДНК, который кодирует информацию, определяющую последовательность аминокислот (белок), считывается триплетами оснований, или кодонами. Например, вышеприведенная последовательность триплетов, прочтенная слева направо, должна кодировать следующую последовательность аминокислот:
Ser-Leu-Leu-His-Arg-Asp
• РНК
Рибонуклеиновая кислота. Очень длинная полимерная молекула, похожая на ДНК; в ее состав входят четыре типа оснований А (аденин), G (гуанин), С (цитозин) и U (урацил), Информационная РНК, которая кодирует аминокислотную (белковую) последовательность, скопирована с гена. РНК обычно одноцепочечная. Например, символическую последовательность оснований информационной РНК можно записать так:
5'-AGCUUAUUGCAUAAGCGCGAU-3'
Обратите внимание: это та же последовательность, что и приведенная выше последовательность ДНК, только вместо Т стоит U. Т в ДНК функционально то же самое, что U в РНК.
• Нуклеиновые кислоты
Химический термин для обозначения ДНК и РНК.
• Белки (протеины)
Белки - это длинные полимеры, состоящие из аминокислот. Вместе с сахарами и жирами белки являются строительными блоками нормальной соматической клетки. Химическое строение аминокислоты совершенно иное, чем нуклеиновой кислоты.
• Аминокислоты - это основной составляющий элемент полимерной аминокислотной цепочки, называемой белком. Основания - «буквы» - нуклеиновых кислот читаются по три сразу как набор триплетных кодонов, причем каждая аминокислота кодируется одним или несколькими триплетами. Белки всех живых систем состоят из 20 обычных аминокислот: Gly (глицин), А1а (аланин), Val (валин), Leu (лейцин), Ile (изолейцин), Pro (пролин), Рпе (фенилаланин), Туг (тирозин), Тгр (триптофан), Ser (серин), Thr (треонин), Cys (цистеин), Met (метионин), Asn (аспарагин), Gln (глутамин), Lys (лизин), Arg (аргинин), His (гистидин), Asp (аспарагиновая кислота) и Glu (глутаминовая кислота). Белковую последовательность (как показано выше) можно записать так: Ser-Leu-Leu-His-Lys-Arg-Asp
• Соматические клетки
Клетки тела многоклеточного организма.
• Половые клетки
Сперматозоид и яйцеклетка, при слиянии которых образуется зигота и формируется новый организм.
• Антитело
Белок, продуцируемый белыми кровяными клетками (В-лимфоцитами), который помогает избавить организм от инфекционного чужеродного агента.
За последние 25 лет создано много новых молекулярно-биологических методов манипулирования с ДНК, например, удаление оснований, вставки, сшивание и амплификация (размножение) клонированных фрагментов. Эти методы значительно повысили уровень знаний о процессах, создающих естественную генетическую изменчивость. Действительно, молекулярные биологи работают с нуклеотидньши последовательностями почти так же, как с текстами, предложениями и буквами на экране компьютера. Объединение молекулярных методов с компьютерными технологиями дает возможность искать ответы на новые и важные вопросы о происхождении человека, природе заболеваний (например, СПИДа), причинах мутаций. В ходе этой работы появляется много информации, проливающей свет на эволюционный процесс.
Последовательности ДНК многих сходных по функции (гомологичных) генов и последовательности аминокислот белковых продуктов этих генов похожи у разных организмов — от бактерий до высших растений и животных. Например, известен белок цитохром С, выполняющий важную роль в производстве внутриклеточной энергии (энергетическая молекула называется АТФ) в результате «сжигания» пищевых молекул, поглощенных живой клеткой. Сравнение последовательностей нуклеотидов в ДНК (или последовательностей аминокислот) генов цитохрома С разных видов показало, что этот ген (за исключением редких мутаций) практически одинаков у всех видов, использующих АТФ. Он обнаруживается и у грибов, и у насекомых, и у высших растений, и у животных. И это несмотря на то, что миллион миллионов лет, а может быть и больше, отделяет эти виды от их общего предка (рис. 1.4). Такая картина молекулярной эволюции, свидетельствующая о гомологии ДНК-последовательностей в разное время и у разных видов, повторяется для сотен хорошо изученных генов и является убедительным доказательством факта эволюции. Жаркие споры идут не о самом факте эволюции, но о механизмах эволюции на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях.
Еще одно обстоятельство, оказавшее влияние на отношение к основной идее Ламарка, связано с созданием стройной системы взглядов, необходимой для развития современной генетики. Большая часть ранних работ по генетике была бы невозможной без концепции относительно стабильного гена. Начало этой концепции положено работой августинского монаха Грегора Менделя (1859 г.), законы которого были переоткрыты Гуго де Фризом и другими в начале XX века. Со временем представление о генах как о стабильных менделевских единицах наследственности, нанизанных на хромосому «как бусины на нитку», стало широко принятым. Считалось, что гены, экспрессирую-щиеся в разных органах взрослых растений и животных, защищены в половых клетках барьером Вейсмана и передаются потомкам практически неизменными. Происходит только перемешивание и перетасовка генов в результате генетической рекомбинации отцовских и материнских хромосом во время формирования половых клеток в ходе особого клеточного деления, называемого мейозом (см. таблицу 1.1).
Концепция стабильного гена способствовала развитию современной генетики в контексте идей Дарвина. Выявление и определение генетических связей между родителями и их потомками были бы совершенно бессмысленными в мире, где любое соматическое изменение могло бы быстро включаться в половые клетки. Например, в менделевских экспериментах по скрещиванию разных форм гороха нельзя было бы сформулировать идею о рецессивных и доминантных генах для разных признаков, если бы гены могли изменяться в каждом поколении под влиянием среды.
Рис. 1.4. Увеличение разнообразия форм жизни на Земле в ходе эволюции. Новейшие филогенетические древа, включающие основные клеточные формы жизни — экстремофилы, или археи, истинные бактерии (прока-риоты) и высшие клетки с окруженным мембраной ядром (эукариоты) — можно найти в книгах Вез (Woese, 1994) и Мадигана и Марса (Madigan, Marrs, 1997). По современным оценкам самая ранняя клеточная форма возникла примерно 3,9 млрд. лет назад (Holland, 1997). Фред Хойли и Чандра Викрамасинх (Hoyle, Wickramasinghe. «Our Place in the Cosmos») приводят убедительные свидетельства того, что многие тела Солнечной системы, особенно кометы, а также планеты с органической атмосферой (аммиак, метан) изобилуют клеточными формами жизни. Таким образом, ранняя химическая эволюция могла происходить не на Земле. Более того, свидетельства, представленные Хойли и Викрамасинхом, наводят на мысль, что за последние 4 млрд. лет Земля много раз заражалась клеточными или вирусными генетическими системами, возможно, во время прохода нашей Солнечной системы через плотные молекулярные облака Млечного Пути.
Именно на этом историческом фоне мы хотим обосновать необходимость использования идей Ламарка о вызванных средой быстрых генетических изменениях и обратной связи между сомой и зародышевой плазмой для объяснения процессов, происходящих в иммунной системе позвоночных. Современные данные, по нашему мнению, вполне согласуются с ламаркистскими представлениями о наследовании приобретенных признаков.
В 1979 г. Тед Стил высказал эту идею в книге Somatic Selection and Adaptive Evolution (Соматический отбор и эволюция). Книга вызвала бурную дискуссию. Одни называли такие взгляды хулиганством и еретичеством, другие полагали, что они знаменуют начало новой главы биологии. Боб Бландэн (Blanden) был среди тех, кто с энтузиазмом воспринял идею о том, что ламар-ковские механизмы работают — по крайней мере в иммунной системе. Тесное плодотворное сотрудничество Теда Стила и Боба Бландэна не только помогло им выдержать бурные научные споры конца 1970-х—начала 1980-х годов, оно внесло большой вклад в развитие аргументов, поддерживающих гипотезу о ламаркистском наследовании в иммунной системе. Наш взгляд на эту проблему можно сформулировать так: «если наследование приобретенных признаков в иммунной системе не является истинным фактом, то единственная альтернатива этому — существование разумного манипулятора генами, т. е. признание «божественного вмешательства».
Теперь оставим историю и займемся анализом существующих молекулярных и генетических данных, которые привели нас к гипотезе о том, что в иммунной системе позвоночных действуют ламарковские механизмы.
Гл. 2 мы начинаем с элементарного описания генов и основного закона молекулярной и клеточной биологии о движении генетической информации в живых системах, т. е. с центральной догмы молекулярной биологии. Некоторые основные понятия (ДНК, РНК, основания A, G, С и T/U, белки) уже даны в табл. 1.2. В гл. 2 мы вкратце изложим современную точку зрения на ранние этапы эволюции. По-видимому, первой информационной молекулой, способной к дарвиновской эволюции, была РНК. Но, как ни парадоксально, первичный генетический материал во всех клетках и у многих вирусов — это ДНК. Почему?
В гл. 3, 4 и 5 мы обсудим дарвиновский процесс «выживания наиболее приспособленных», который идет в популяциях белых кровяных клеток (лимфоцитах), когда иммунная система борется с инфекционным агентом. (В нашу эпоху СПИДа тысячи биологов занимаются исследованием молекул и клеток иммунной системы млекопитающих.) В гл. 5 мы изложим современную точку зрения на молекулярные процессы, протекающие в иммунной системе, и подчеркнем, что идеи Дарвина и Ламарка взаимно дополняют друг друга.
Гл. 6 ключевая в нашей книге. Именно в ней мы пытаемся обосновать нашу гипотезу о проницаемости барьера Вейсмана за эволюционное время, по крайней мере для V-генов иммунной системы. Центральная информационная молекула в этой «драме» уже не стабильная двухцепочечная ДНК (в которой последовательностями нуклеотидов А, G, С и Т записана генетическая информация), а сравнительно нестабильная молекула-посредник РНК.
В гл. 7 мы исследуем интересные факты наследования некоторых анатомических структур человека и животных. Приводятся данные о том, что самцы грызунов с индуцированными диабетом и другими эндокринными нарушениями часто передают i свои измененные свойства потомкам. В этой главе мы также рассмотрим свидетельства за и против существования обратной связи сомы и зародышевой линии для других органов и тканей. Это то же самое, что обсуждать, имеет ли дарвиновская теория пангенезиса всеобщее значение. Мы выдвигаем на первый план проблемы, решение которых чрезвычайно важно для современной молекулярной генетики.
Наконец, в эпилоге мы подробно, хотя и умозрительно, обсудим некоторые более широкие приложения идей Ламарка. Например, мы рассмотрим их значение для генетической инженерии, включающей соматическую генотерапию, и концепцию «генетической ответственности». Мы также воспользуемся возможностью ответить на критику нашей теории.