Ключ к разгадке изменчивости

Известно, что способность к изменчивости у живой природы и обеспечивает ее развитие. Потому тщательное исследование механизмов изменчивости — одна из важнейших задач биологов. С тех пор, как такое исследование стало вестись на молекулярно-генетическом уровне, то есть когда появилась возможность изучать самые элементарные слагаемые живых клеток и тканей, возникла уверенность, что не за горами полная ясность в проблеме изменчивости. Но вот буквально в самые последние годы сделан ряд открытий, во многом переменивших представление эволюционистов и, как всегда в таких случаях, породивших ворох новых вопросов.

Как считалось до сих пор, все изменения в генах, полученных от родителей, происходят из-за случайных повреждений при внешних воздействиях на генетический аппарат. В популяции при этом появляются новые качества, в редких случаях они дают их обладателям определенные жизненные преимущества. Еще сравнительно недавно клеточный набор генетических программ (геном) так же представлялся исследователям стабильной структурой.

Исследования последних лет принципиально изменили наши взгляды на механизмы изменчивости. Стало очевидным, что наряду со случайными событиями есть совершенно иные пути появления новых признаков. Оказалось, что способность к изменениям кодируется самим геномом. Набор генетических программ содержит и программы для изменения этого набора! При этом свойство изменчивости из чисто случайного превращается в наследственно обусловленное.

Что же это за открытие? Еще в сороковых годах Барбара Мак-Клинток впервые обнаружила среди генов подвижные элементы. Она задалась целью выяснить, почему у кукурузы в одном початке иногда бывают зерна с разной окраской. Оказалось, что это можно объяснить только тем, что по геному движутся некие «контролирующие элементы». Но разве можно было оценить всю важность этих наблюдений, если молекулярная природа наследственности была еще покрыта тайной?

Но вот выяснилось, что гены — это фрагменты ДНК, расположенные линейно, друг за другом. И, как правило, ген, ответственный за какой-нибудь признак, всегда находится в определенном месте хромосомы во всех поколениях особей.

Опыты Мак-Клинток указывали на то, что в геноме есть и перемещающиеся блоки. Проблема эта, однако, надолго замерла в ожидании своего решения. Всеобщее признание генетической модели Уотсона и Крика дало ученым множество иных направлений в исследованиях. Казалось, что проблема контролирующих элементов имеет второстепенное значение. К тому же не было подходящих объектов и, главное, не было эффективных методических подходов для исследований.

Интерес к перемещающимся генам резко вырос в шестидесятых — семидесятых годах прошлого века, когда ученые попытались разобраться, отчего некоторые антибиотики перестают действовать на бактерии. Оказалось, что в бактериях есть специальные гены, продукты которых обезвреживают попавшее в бактериальную клетку лекарство. Эти гены не имеют постоянной локализации в хромосоме. Они способны не только перемещаться из одного ее места в другое, но могут захватываться бактериальными вирусами или плазмидами (короткие кольцевые молекулы ДНК внутри бактерий) и с их помощью переноситься из одной бактериальной клетки в другую. В результате многократное действие антибиотика приводит к тому, что в популяции бактерий остаются потомки только тех клеток, которые успели запастись нужным для обороны геном. Лекарство становится неэффективным, бактериальные клетки приспосабливаются к нему.

Нечувствительность к действию лекарств может быть обусловлена и иным проявлением мобильности генов. Если для предотвращения разрушающего действия препарата оказывается недостаточно того количества продукта, что вырабатывается одной копией гена, клетка в некоторых случаях умножает число копий нужного гена в десятки раз.

Но все-таки настоящий переворот в наших взглядах на функции мобильных генов произошел в последние несколько лет, после того как исследователи взяли на вооружение два принципиально новых метода. Дело в том, что изучать свойства какого-либо вещества можно только тогда, когда имеешь его в достаточных количествах, А еще недавно мечта о том, чтобы иметь определенный фрагмент клеточной ДНК в необходимом для анализа числе копий, казалась фантастичной. Можно ли было представить себе, что удастся получить практически любое число копий гена, скажем, гемоглобина?

То, что казалось нереальным, сделала генная инженерия. Суть метода клонирования, который применяется генетиками, когда им нужно получить много копий, очень проста. Берут бактериальную плазмиду, в ней всего несколько генов. С помощью специальных ферментов плазмиду разрезают и соединяют определенным образом с концами изучаемого гена. Затем такую гибридную плазмиду размножают в бактериях. Встроенный ген, конечно, также размножается. Затем с помощью тех же разрезающих ферментов размноженные его копии вырезают из дочерних плазмид. Ген в руках исследователя!

Но иметь много копий одного и того же гена — это только полдела. Общее число оснований — чей порядок чередований и определяет генетическую информацию — в изучаемом гене может исчисляться сотнями и тысячами. Можно ли определить последовательность, в которой они расположены?

Еще несколько лет назад ученые твердо отвечали на этот вопрос: нельзя. Существовали трудоемкие методы для определения порядка оснований в молекулах РНК, но для ДНК они были неприменимы. Только в некоторых частных случаях удавалось найти последовательность в десятке оснований.

Сегодня мы знаем последовательность оснований в генах, кодирующих многие важные белки и ферменты, полностью расшифрован код целого ряда вирусов, определены первичные структуры и некоторых перемещающихся генов.

Вклад, внесенный в мировую науку с помощью анализа первичной структуры ДНК, то есть расшифровки последовательности оснований, кодирующей информацию, настолько велика что Ф. Сенгер и У. Гилберт, разработавшие эти методы, стали лауреатами Нобелевской премии по химии.

Так, например, когда была определена полная последовательность оснований в гене, который запускает выработку белков, содержащихся в поверхностных жгутиках у бактерии Salmonella, открылся интереснейший механизм, с помощью которого состав этих белков варьировался. Необходимость для бактерии обладать способностью изменять поверхностные белки вызвана тем, что когда она попадает в организм и тот вырабатывает против нее соответствующие антитела, то их тип определяется организмом именно по белкам жгутиков Salmonella. Меняя белок в своих поверхностных жгутиках, бактерия спасается от уничтожения. Ясно, что антитела, рассчитанные на взаимодействие с прежним белком, уже не способны атаковать бактерию. Но каким же образом совершается смена?

Это-то и выяснил анализ структуры бактериальных генов. Оказалось, что в ДНК Salmonella есть фрагмент, способный поворачиваться на 180 градусов. Оказалось также, что этот фрагмент содержит 995 пар оснований, и при этом порядок их расположения на правом и левом концах фрагмента таков, что один из концов оказывается как бы зеркальным отражением другого. Поэтому фрагмент беспрепятственно соединяется с остальной ДНК бактерии, в какую бы сторону он ни был повернут. При этом, поворачиваясь, он включает в работу то один, то другой из генов-соседей. Соответственно вырабатывается либо один, либо другой тип белка.

По-другому действие «поворачивающегося» гена проявляется у одного из видов дрожжей сахаромицетов. Их пол в зависимости от типа спариваний обозначают знаком « +» или «—». Тип спаривания у этих дрожжей не задан раз и навсегда. Время от времени они способны менять свой пол. Какие молекулярно-генетические механизмы делают возможным такой процесс? У этих дрожжей есть гены, кодирующие принадлежность к тому или иному полу. А между этими генами расположен фрагмент ДНК, способный, как и в случае с сальмонеллой, поворачиваться на 180 градусов. Когда этот фрагмент повернут в одну сторону, работает ген, определяющий принадлежность к + полу, когда повернут в другую — функционирует ген — пола.

В генетике совокупность внешних признаков организма называют фенотипом. Оба рассмотренных примера показывают, что весьма существенные фенотипические изменения могут произойти всего лишь из-за поворота фрагмента ДНК. Такого события иногда оказывается достаточно для того, чтобы клетка приспособилась к изменившимся внешним условиям.

Еще более поразителен процесс образования в организме из так называемых клеток-путешественниц зрелых лимфоцитов, вырабатывающих специфические защитные иммуноглобулины против чужеродных агентов.

Индивидуум способен вырабатывать огромное число различных иммуноглобулинов — примерно от одного до десяти миллионов. Попытки понять, как это происходит, первоначально привели к созданию двух гипотез. Первая из них допускала, что существует один-единственный ген иммуноглобулина, а все разнообразие иммуноглобулинов получается путем изменения последовательности оснований в этом гене (в результате мутаций). Вторая гипотеза утверждала, что в ДНК лимфоцитов есть готовые гены для всевозможных иммуноглобулинов.

Природа оказалась остроумнее этих гипотез! Она пошла по пути, представлявшемуся невероятным. Гены иммуноглобулинов оказались собранными из блоков. Ведь достаточно заменить только один блок, и ген иммуноглобулина будет уже другим.

Ученый редко идет по тому пути, что был проложен предварительно. Скорее его можно сравнить с путником, который пробирается по переплетенным улочкам незнакомого города. И хотя он знает, куда хочет попасть, часто оказывается совсем не в том месте.

Ученые решили выделить из ДНК дрозофилы какой-либо из функционирующих генов, чтобы размножить его в копиях, а затем изучить структуру прилегающих к нему в хромосоме регуляторных участков. Удалось скопировать несколько генов, отвечающих за синтез информационной РНК. Казалось бы, цель достигнута, но исследователей ждал сюрприз. При попытке выяснить, где же в клеточных хромосомах расположен каждый из выделенных генов, оказалось, что они имеются в хромосомах в нескольких десятках и даже сотнях копий. Более того, у разных линий мух эти гены расположены в различных участках хромосом, отличается и число копий. Хотя и редко, они могут перемещаться. Поэтому такие гены стали обозначать как МДГ — мобильные диспергированные гены.

Подробное изучение МДГ позволило сделать выводы принципиальной важности. Оказалось, что они влияют на характер информации, кодируемой другими генами. Так, у дрозофилы очень давно описана мутация, при которой изменяется цвет глаз. Причиной этого, как сейчас доказано, является внедрение МДГ в ген, ответственный за окраску глаз.

Более того, ученые вели наблюдения над линией мух с низкой жизнеспособностью и выяснили, что изредка наблюдающееся у этих мух взрывное (сразу в следующем поколении) ее нарастание сопровождается перемещениями МДГ. Вопрос о том, в чем состоят биохимические отличия более жизнеспособных представителей вида от их собратьев, давно волнует ученых. И вот выдвинута гипотеза о том, что именно мобильные диспергированные гены своим присутствием или отсутствием около генов, кодирующих белки, меняют их деятельность. МДГ, по-видимому, могут выступать как мощный регуляторный фактор, перестраивающий иногда работу всего генетического аппарата, изменяя одновременно активность многих ферментных систем.

Мобильные диспергированные гены найдены уже у дрожжей, есть они и у млекопитающих. По своему строению они оказались очень похожими на те самые перемещающиеся гены бактерий, которые контролируют устойчивость к антибиотикам. Более того, в их строении выявилась и ёще одна особенность чрезвычайной важности — оказалось, что ДНК мобильных генов и геном РНК-содержащих вирусов (ретровирусов), вызывающих опухоли у животных, сходны по своей первичной структуре. И подобно тому, как МДГ способны перемещаться по геному клеток за счет встраивания в другое место хромосомы, так и ДНК — копия проникшего в клетку ретровируса — способна встраиваться в различные участки клеточной ДНК. Важно, что в ДНК — копиях ретровирусов и в ДНК МДГ есть последовательности, ответственные и за внедрение в геном клетки, и за регуляцию считывания генетической информации. При этом, начавшись на таких последовательностях из состава МДГ или вируса, считывание может распространиться и на исходно «молчащие» гены.

Сегодня совершенно ясно, что в ДНК клетки есть несколько генов, называемых потенциальными онкогенами, нерегулируемое (незапланированное) считывание которых превращает клетку в опухолевую.

Поэтому вопрос об отношении перемещающихся элементов к возникновению опухолей — это не только теоретический вопрос. Решение его, несомненно, повлечет за собой принципиально новые практические подходы к распознаванию и лечению рака. Лаборатории многих стран изучают сегодня эту проблему.

Вирус иногда и переносит онкоген из клетки в клетку, из организма в организм. Наверное, он может переносить и другие гены. Но сведения, которые есть по этому поводу, относятся главным образом к генам бактерий.

Для многоклеточных организмов вне половая передача генов, возможно, играет меньшую роль. Тем не менее, некоторые факты обращают на себя внимание. Так, в природных популяциях мухи-дрозофилы иногда возникает своего рода мода на мутации. Были годы, когда в десятки и сотни раз возрастала частота мутаций, изменяющих у мух цвет тела и глаз. Затем появилось множество мух с ненормальным строением брюшка. Наконец, в ряде изолированных друг от друга популяций произошла вспышка мутаций, характеризующихся особой формой щетинок.

Если, как полагает доктор биологических наук М. Д. Голубовский, повышение частоты мутаций совершенно определенных генов в популяциях дрозофилы, разделенных сотнями и тысячами километров, действительно вызвано быстрым распространением какой-то инфекции, то не исключено, что агент, ее вызывающий, это некий мобильный элемент, который встраивается в определенный ген и изменяет проявление его программы.

Какой механизм лежит в основе перемещения генов? Каким образом фрагменты непрерывной нити ДНК могут исчезать в одном месте, появляться в другом? Способ перемещения фрагментов ДНК остается в целом до сих пор невыясненным. Несомненно, однако, что нужны специфические ферменты, разрывающие нити ДНК в строго определенных местах. Кроме этого, в переносе может участвовать целый ряд синтезирующих, сшивающих и других ферментов. Подобные ферменты могут кодироваться как самим перемещающимся элементом, так и другими клеточными генами. Загадочен и процесс встраивания в клеточные хромосомы копий опухолеродных вирусов.

Схожесть в строении перемещающихся элементов и ряда РНК-содержащих вирусов заставила поставить еще один важный вопрос: не произошли ли эти вирусы из перемещающихся элементов? Говард Темин, получивший Нобелевскую премию за открытие фермента, строящего на РНК ее ДНК-копию, предполагает, что эволюция перемещающихся генов в ретровирусы могла бы происходить так. Небольшой перемещающийся элемент захватывает с собой соседние клеточные гены, а потом функции этих генов несколько меняются последующими мутациями и вся совокупная цепочка начинает жить по программе настоящего вируса. Например, ее РНК-копии упаковываются в вирусные частицы. Это предположение подтверждается тем фактом, что в геноме мыши были найдены гены, по своим признакам представляющие нечто среднее между МДГ и ретровирусами.

В настоящее время совершенно ясно, что ряд ретровирусов способен вызывать рак у кур, кошек, мышей и других животных. Это заставляет онкологов подробным образом изучать такие вирусы. Но самый тщательный анализ опухолей человека не выявил причастности ретровирусов к их возникновению. И сегодня у вирусологов складывается впечатление, что или ретровирусы не играют никакой роли в возникновении опухолей у человека, или она весьма незначительна.

И если роль вирусов в возникновении рака у человека невелика, то, может быть, в формировании онкогенной программы существенна роль мобильных элементов?

Действительно ли мобильные гены — тот ключ, который позволит объяснить изменчивость организмов в природе не чисто случайными механизмами? Изучение мобильных генов по-настоящему только-только началось. Сегодня мы имеем больше поставленных вопросов, чем решенных задач. Однако можно уверенно утверждать, что подобные гены позволяют различным клеткам не только быстро приспособиться к изменившимся внешним условиям, но даже способны изменять фенотип организма. Нам сегодня, видимо, известны далеко не все классы имеющихся в природе мобильных генов. И трудно сказать, какое время потребуется исследователям для решения стоящих в этой области задач. Но важность результатов подобных исследований огромна.

Так, расчеты показывают, что темпы изменений генетического материала, обусловленные случайными мутациями, совершенно не соответствуют скорости эволюции органического мира. Высказываются даже предположения, что и в индивидуальном развитии организма (например, когда из единственной оплодотворенной клетки развивается все многообразие нужных организму тканей с самыми разными функциями) один из мощных факторов — перестройки генома. И если у нас нет сомнений в том, что специализация клеток, например, происходит под руководством наследственного аппарата (хотя конкретные генетические механизмы еще не известны), именно изучение свойств мобильных генов впервые дает материальную базу и для постановки вопроса о некой направленности в эволюции живой природы.

Значению мобильных генов еще требуется осмысление как общебиологическое, так и философское. Регуляция генной активности, создание новых генетических программ, канцерогенез, эволюция — вот далеко не полный круг проблем, к решению которых изучение мобильных генетических элементов имеет прямое отношение.

Автор: Н. Миронов.