Наследственность без хромосом
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Если небиолога спросить о том, как передается наследственность, наверняка услышишь в ответ о генах и хромосомах. Эти слова уже стали привычными. Лица, более осведомленные, вспомнят о нуклеиновых кислотах. Признано, что нуклеиновые кислоты действуют внутри генов. Гены — это составные части хромосом. Последние же сосредоточены внутри клеточного ядра. Ядро в целом принято считать основой наследственности. Это мнение подтвердилось благодаря блистательным успехам, достигнутым генетикой, а особенно благодаря открытию «кода наследственности». Этот «код» — та или иная комбинация четырех белковых оснований (аденина, гуанина, тимина и цитозина) в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты — позволяет сосредоточить в минимальном объеме ядра всю наследственную информацию. Всю ли? В этом-то и вся загвоздка!
В тот момент, когда упомянутые сведения о механизме наследственности начинают распространяться среди небиологов, в большом числе работ самих биологов появляются мрачные раздумья в связи с прекрасной, казалось бы, схемой, по которой наследственность тесно связана с клеточным ядром.
Голова без тела или тело без головы
Клетка, у которой удалено ядро, похожа на тело без головы. В крайнем случае, она может прожить несколько мгновений, а затем погибает. Исключение, которое представляют собой красные кровяные тельца — клетки, великолепно существующие без ядра, — только подтверждает роль ядра в передаче наследственности, так как красные кровяные тельца неспособны воспроизводиться. Точно так же ядро, отделенное от остальной клетки, напоминает генерального директора, оторванного от своих служащих, аппарата, заводов. Он обладает информацией, которую некому передавать, он способен принимать решения, которые некому выполнять. Именно под таким углом зрения биологи стали смотреть на роль цитоплазмы, окружающей ядро. Ее сравнили с работником, который выполняет приказы, полученные сверху,— изготовляет белки и ферменты, откладывает резервы, точно указывает элементы, необходимые для поддержания жизни, и производит их обработку. Это просто исполнитель и ничего больше.
Концепция быстро превратилась в догму. Но к сороковым годам стали известны некоторые факты, посеявшие в умах первые зерна сомнения. Наблюдались признаки, которые передавались по наследству, не подчиняясь строгим законам Менделя. Наследственность в этих случаях не определялась хромосомами, не контролировалась ими.
Главное – материнская цитоплазма
Как то биолог Хорсоадиус провел интересный опыт. Он оплодотворял женские клетки одного вида морских ежей сперматозоидами самцов другого вида. Большая часть морских ежей-потомков имела только материнские признаки. Но ведь это означало, что женские клетки были оторваны от своего ядра! Это был один из тех — самых первых — случаев, когда начинало казаться, что мать играет какую-то особую роль, причем через посредство цитоплазмы.
В самом деле, перед оплодотворением зародышевая клетка сильно увеличивается за счет наполнения цитоплазмой. Она примерно в пятьдесят тысяч раз больше сперматозоида, тогда как размер их хромосом примерно одинаков. Значение цитоплазмы подтверждается уже тем, что именно в ней создается запас питательных веществ, необходимых для поддержания жизни зародыша и для его развития. Сперматозоид, проникая в зародышевую клетку, приносит в нее лишь свои хромосомы. Если уж организм похож на мать и только на мать, это должно было быть делом только цитоплазмы. Можно представить себе реакцию биологов классического направления на эти опыты и на подобные выводы. Тем более, что они не приобрели еще окончательной четкости…
Около того же времени немец фон Ваштейн провел несколько интересных опытов на растениях. (Кстати сказать, именно опыты на растениях дали больше всего любопытных фактов.) Он скрещивал мхи определенного вида и установил явное преимущество материнских признаков в потомстве. На основе этих опытов биолог предположил, что в цитоплазме могут существовать элементы, сходные с теми, какие существуют в хромосомах.
Затем были установлены другие волнующие факты, физиолог Михаэлис, исследуя мозаичность растений, обнаружил любопытное явление. Мозаичные болезни известны давно. Причиной их возникновения, как выяснили биологи, являются вирусы и грибки, ведущие паразитический образ жизни на растениях. Это объяснение справедливо для многих растений, но не для всех. В ряде случаев мозаичность — проблема чисто наследственная.
На листьях, пораженных мозаикой растений, есть участки, лишенные хлорофилла,— участки-кальбиносы. Происхождение их объясняется тем, что в процессе роста некоторые клетки наследственно потеряли способность к синтезу хлорофилла. Другие участки того же растения зеленые. Здесь происходит синтез хлорофилла. Результаты опытов Михаэлиса показали, что в потомстве растений расположение этих двух зон зависит исключительно от того, где образовалась женская зародышевая клетка. Иначе говоря, признак никогда не зависит от пыльцы. Зародышевые клетки цветов, образовавшихся на зеленом участке растения, давали начало семенам, которые прорастали зелеными всходами. Семена, происходившие из бесхлорофилльного участка, давали бесцветные ростки. А те, что зародились на мозаичном участке, давали три вида ростков: зеленые, бесцветные и мозаичные. Это еще один пример материнской наследственности.
Единственное представленное биологами объяснение этого факта таково: так как только женские зародышевые клетки определяют передачу мозаичности по наследству, то генетическая информация передается цитоплазмой.
«Еретическая» генетика
Количество опытов увеличилось. Разумеется, разгорелся ожесточенный научный спор. Но стало заметно, что число ярых противников нехромосомной наследственности значительно уменьшилось. Теория нехромосомной наследственности в качестве приложения к основной теории пробивает себе дорогу. Этот вопрос начинает увлекать биологов. Ученые заговорили о цитоплазматической генетике. Нехромосомная наследственность стала официально признанным фактом.
Отныне биологи делают первые попытки объяснить давно наблюдавшиеся необычные факты. Теперь, когда сознание подготовлено к восприятию новой теории, обнаруживаются многочисленные подтверждения ее. Они, эти подтверждения, существовали и раньше, но упорно не замечались только потому, что никто не хотел их видеть…
Вызывает сомнение не сама менделевская теория наследственности, а ее односторонность. Отныне вопрос ставится так: только ли ядро со своими хромосомами и хромосомы со своими генами играют роль в наследственности, или есть и другие элементы, управляющие ею? Может быть, существует даже возможность передачи наследственности и в том случае, когда хромосомы (а следовательно, и ядро клетки) не принимают в ней участия.
Интересно отметить, что технический прогресс, способствовавший недавнему блистательному успеху классической «хромосомной генетики», послужил вместе с тем и толчком к развитию «еретической» генетики. В цитоплазме столько составных веществ, причем настолько маленьких размеров, что во всем этом невозможно разобраться без электронного микроскопа. В клеточной цитоплазме, как в растительной, так и в животной, есть митохондрии и рибосомы, без которых невозможен синтез первичных белков и ферментов, аппарат Гольджи и прочие образования, выполняющие определенные функции.
Но как же все-таки цитоплазма может передавать генетическую информацию? Гипотеза, которую допускает большая часть биологов — приверженцев нехромосомной теории наследственности, заключается в том, что существуют гены, почти сходные с теми, которые концентрируются в ядре. Но с тем, однако, отличием, что хромосомы не являются их носителями. Это гены, существующие в свободном виде в цитоплазме: плазмогены.
Где и когда могли бы эти наследственные элементы воспроизводиться в цитоплазме? В этом вопросе мнения расходятся. Внимание биологов сосредоточивается на нескольких компонентах цитоплазмы: митохондриях, которые обнаруживаются как у животных, так и у растений, рибосомах и хлоропластах. Недавно, выяснилось, что и те и другие являются самовоспроизводящимися элементами: они всегда образуются из ранее существовавших элементов, они всегда смогут быть хранителями генетической информации. Но это еще не доказано.
Гипотеза плазмогенов получает все большее и большее распространение. На генетическом конгрессе в Гайе американка Рут Сарджер из Колумбийского университета представила результаты интересных работ, проведенных ею в сотрудничестве с японским биологом Иосириро Цубо. Воздействуя на цитоплазму, им удается вызывать мутации — изменения наследственных признаков. Они же доказывают, что мужские клетки также могут передавать нехромосомные гены. Таким образом, стало возможно исследование скрещивания между отцовскими и материнскими нехромосомными генами. Доктор Сарджер высказана мнение, что в цитоплазме существует несколько экземпляров нехромосомного гена, тогда как в хромосомах обнаруживается, напротив, всего один экземпляр.
У гипотезы плазмогенов в области нехромосомной генетики есть гипотезы-соперницы. Это обстоятельство — лишний козырь в руках ее противников; если уж сторонники нехромосомной наследственности не могут поладить друг с другом, то как быть остальным?
Железная логика в пользу равновесия воздействий
Вторая гипотеза, которую выдвигают генетики, — это гипотеза равновесия воздействий. Суть ее такова. Вещество хромосом несет всю информацию. Хромосомы управляют всеми процессами синтеза. Но они совершают свою работу не постоянно, а только тогда, когда это необходимо.
В природе должны существовать механизмы координации и регулировки. Их назначение — контроль поступающей в какой-то пункт организма информации и внесение в нее каких-то поправок, зависящих от окружающей среды и от назначения клетки. Это пока еще область весьма таинственная. Гипотеза равновесия воздействия является здесь не менее приемлемой, чем любая другая.
Биологи Жак Моно, Франсуа Жакоб и их коллеги из Пастеровского института провели прекрасные исследования на бактериях кишечной палочки. Опыты эти позволили несколько приоткрыть таинственную завесу.
Существуют два механизма, контролирующие обмен веществ в клетке. Каждый из них действует через посредников, каковыми являются ферменты. Это или абсолютное торможение процессов синтеза в клетке, или установление строгого равновесия между возбуждением и подавлением этих процессов. Генетическая роль цитоплазмы будет состоять в этом случае в контроле синтеза ферментов, посредством которых можно притормаживать, ускорять или вовсе прекращать остальные синтетические процессы. При какой-то заданной наследственной информации и в соответствующих внутренних условиях возникают некоторые стабильные положения, необходимые для того, чтобы в клетке шел активный обмен веществ. Можно предположить, например, состояние усиленного подавления обменных процессов при небольшом количестве свободных ферментов. Или, наоборот, небольшое подавление при изобилии свободных ферментов.
Опыты, проведенные на кишечной палочке, подтверждают теорию нехромосомной наследственности. Существует два вида этих бактерий. Первый из них «умеет» постоянно синтезировать в больших дозах фермент галактозидазу. Присутствие в совместной культуре второго вида сказывается в том, что этот синтез обычно подавляется. При наличии же возбуждения бактерий синтез идет обычными темпами. Если возбуждение исчезает, бактерии снова подавляют синтез. Существует порог такого возбуждения или даже скорее два порога: значение их неоднозначно в двух направлениях — в направлении подавления синтеза и в направлении прекращения блокады. Величина этих порогов зависит от внутренних условий и определяется наследственными факторами.
Молекулярный «стриптиз»
Следует упомянуть также о гипотезе «затравки». Как и гипотеза равновесия воздействий, она прибегает к физико-химическим истолкованиям.
Достаточно проникновения одного кристалла в пересыщенный раствор, чтобы вызвать кристаллизацию огромной массы вещества. Это известная истина, В биологии происходит подчас то же самое. В некоторых случаях «затравка» — микроб — может положить начало биологическому явлению. Ту же роль способны играть некоторые клеточные элементы в силу их наследственных качеств.
Объясняя гипотезу «затравки», один из биологов, профессор Геритье, приводит пример с восстановлением вируса табачной мозаики. В структуре его обнаруживаются характерные для вируса элементы: нуклеиновая сердцевина и оболочка. Сердцевина представляет собой цепь РНК, включающую 6 500 нуклеотидов (исходных единиц нуклеиновых кислот), молекулы сахара, фосфорной кислоты и основания, расположенные по спирали, состоящей из 130 витков. Оболочка просто окручена 130 витками и состоит из 2 тысяч сходных оснований и белков со 150 аминокислотами.
Самое замечательное заключается в том, что соединение элементов соответствует виду обратимой реакции. В некоторых средах протеины вырываются из цепи и растворяются в среде, обнажая тем самым нуклеиновую спираль. Этот «стриптиз» на молекулярном уровне обратим. Структура способна восстанавливаться. Именно это делает частицы биологически эффективными, то есть способными легко распространять инфекцию. Восстановление сводится к кристаллизации; это эндотермический процесс, который не нуждается во вмешательстве ферментов.
А если бы наследственностью занялась клеточная мембрана
Как мы убедились, ни одна из трех теорий не отрицает роли ядра в наследственности. Напротив, они позволяют ее точно установить. В самом деле, если они окажутся справедливыми, то будет доказано, что существует два механизма наследственности. Первый основан на самовоспроизведении элементов «кода наследственности», бесконечно передающих постоянный комплекс информации. Другой механизм, по своей организации находящийся на более низком уровне, изменяет форму выражения этих элементов. Является ли цитоплазматической эта вторая наследственность, или она действует на уровне ядра? Биологи пока еще не высказывают на этот счет своего окончательного мнения. Сначала они окрестили нехромосомную наследственность «цитоплазматической». Из осторожности термин был отброшен, и теперь предпочитают говорить, что существует генетика и, возможно, «эпигенетика».
Как видим, нехромосомная наследственность уже вышла из грудного возраста, и теперь ее можно сравнить с ребенком, делающим свои первые шаги; он шатается, падает, снова идет, продвигается вперед на четвереньках, но, в конце концов, приближается к своей цели. Волнующие выводы столь привлекательных гипотез еще не подтверждены экспериментами. Никто не осмеливается дать истолкование фактам.
Несмотря на все это, нехромосомная наследственность становится наиболее злободневным вопросом. Теперь, когда открыт генетический код, остается узнать, как он применяется. Каким образом приказы, присутствующие во всех клетках, не распространяются повсюду, как функционируют механизмы, обеспечивающие единство клетки, ее регулировку и дифференциацию?
Нехромосомной наследственности, конечно, есть что сказать по поводу этих механизмов. Некоторые даже склонны предполагать, что она является причастной к проблемам рака.
А вот что заставляет думать, что и третья часть клетки принимает участие в наследственности. По последним данным, клеточная мембрана играет самостоятельную роль в генетике. Первоначальные опыты доктора Курти из Лондонского университета лишены некоторых точных подробностей. Можно себе представить, с каким нетерпением ждут их все специалисты. Те времена, когда считалось, что ядро играет главную роль в наследственности, давно прошли. Если раньше ему всегда отводилась главная роль, то отныне оно должно мириться с присутствием «напарников». Уже стало ясно, что в передаче наследственности участвует вся клетка.
Автор: Мартин Ренью.