Ключ до розгадки мінливості
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Відомо, що здатність до мінливості у живої природи і забезпечує її розвиток. Тому ретельне дослідження механізмів мінливості – одне з найважливіших завдань біологів. З тих пір, як таке дослідження стало вестися на молекулярно-генетичному рівні, тобто коли з’явилася можливість вивчати найелементарніші складові живих клітин і тканин, виникла впевненість, що не за горами повна ясність в проблемі мінливості. Але ось буквально в самі останні роки зроблений ряд відкриттів, що багато в чому змінили уявлення еволюціоністів і, як завжди в таких випадках, породили купу нових питань.
Як вважалося досі, всі зміни в генах, отриманих від батьків, відбуваються через випадкові пошкодження при зовнішніх впливах на генетичний апарат. У популяції при цьому з’являються нові якості, в рідкісних випадках вони дають їх власникам певні життєві переваги. Ще порівняно недавно клітинний набір генетичних програм (геном) так само представлявся дослідникам стабільною структурою.
Дослідження останніх років принципово змінили наші погляди на механізми мінливості. Стало очевидним, що поряд з випадковими подіями є зовсім інші шляхи появи нових ознак. Виявилося, що здатність до змін кодується самим геномом. Набір генетичних програм містить і програми для зміни цього набору! При цьому властивість мінливості з чисто випадкового перетворюється в спадково обумовлене.
Що ж це за відкриття? Ще в сорокових роках Барбара Мак-Клінток вперше виявила серед генів рухливі елементи. Вона задалася метою з’ясувати, чому у кукурудзи в одному качані іноді бувають зерна з різним забарвленням. Виявилося, що це можна пояснити тільки тим, що по геному рухаються якісь «контролюючі елементи». Але хіба можна було оцінити всю важливість цих спостережень, якщо молекулярна природа спадковості була ще покрита таємницею?
Але ось з’ясувалося, що гени — це фрагменти ДНК, розташовані лінійно, один за одним. І, як правило, ген, відповідальний за яку-небудь ознаку, завжди знаходиться в певному місці хромосоми у всіх поколіннях особин.
Досліди Мак-Клінток вказували на те, що в геномі є і блоки, що переміщаються. Проблема ця, однак, надовго завмерла в очікувані свого рішення. Загальне визнання генетичної моделі Уотсона та Кріка дало вченим безліч інших напрямків у дослідженнях. Здавалося, що проблема контролюючих елементів має другорядне значення. До того ж не було відповідних об’єктів і, головне, не було ефективних методичних підходів для досліджень.
Інтерес до генів, що переміщаються різко виріс в шістдесятих — сімдесятих роках минулого століття, коли вчені спробували розібратися, чому деякі антибіотики перестають діяти на бактерії. Виявилося, що в бактеріях є спеціальні гени, продукти яких знешкоджують ліки, що потрапили в бактеріальну клітину. Ці гени не мають постійної локалізації в хромосомі. Вони здатні не тільки переміщатися з одного її місця в інше, але можуть захоплюватися бактеріальними вірусами або плазмідами (короткі кільцеві молекули ДНК всередині бактерій) і з їх допомогою переноситися з однієї бактеріальної клітини в іншу. В результаті багаторазова дія антибіотика призводить до того, що в популяції бактерій залишаються нащадки тільки тих клітин, які встигли запастися потрібним для оборони геном. Ліки стають неефективними, бактеріальні клітини пристосовуються до них.
Нечутливість до дії ліків може бути обумовлена й іншим проявом мобільності генів. Якщо для запобігання руйнівної дії препарату виявляється недостатньо тієї кількості продукту, що виробляється однією копією гена, клітина в деяких випадках примножує число копій потрібного гена в десятки разів.
Але все-таки справжній переворот в наших поглядах на функції мобільних генів стався в останні кілька років, після того як дослідники взяли на озброєння два принципово нових методи. Справа в тому, що вивчати властивості будь-якої речовини можна тільки тоді, коли маєш її в достатніх кількостях, а ще недавно мрія про те, щоб мати певний фрагмент клітинної ДНК в необхідному для аналізу числі копій, здавалася фантастичною. Чи можна було уявити собі, що вдасться отримати практично будь-яке число копій гена, скажімо, гемоглобіну?
Те, що здавалося нереальним, зробила генна інженерія. Суть методу клонування, який застосовується генетиками, коли їм потрібно отримати багато копій, дуже проста. Беруть бактеріальну плазміду, в ній всього кілька генів. За допомогою спеціальних ферментів плазміду розрізають і з’єднують певним чином з кінцями досліджуваного гена. Потім таку гібридну плазміду розмножують в бактеріях. Вбудований ген, звичайно, також розмножується. Потім за допомогою тих же ферментів розмножені його копії вирізують з дочірніх плазмід. Ген в руках дослідника!
Але мати багато копій одного і того ж гена — це лише половина битви. Загальне число основ – чий порядок чергувань і визначає генетичну інформацію – в досліджуваному гені може обчислюватися сотнями і тисячами. Чи можна визначити послідовність, в якій вони розташовані?
Ще кілька років тому вчені твердо відповідали на це питання: не можна. Існували трудомісткі методи визначення порядку основ у молекулах РНК, але для ДНК вони не застосовувались. Тільки в деяких окремих випадках вдавалося знайти послідовність в десятці основ.
Сьогодні ми знаємо послідовність основ в генах, що кодують багато важливих білків та ферментів, повністю розшифрований код цілого ряду вірусів, визначені первинні структури і деяких генів, що переміщаються.
Внесок, внесений у світову науку за допомогою аналізу первинної структури ДНК, тобто розшифровки послідовності основ, що кодує інформацію, настільки великий, що Ф. Сенгер і У. Гілберт, які розробили ці методи, стали лауреатами Нобелівської премії з хімії.
Так, наприклад, коли була визначена повна послідовність основ в гені, який запускає вироблення білків, що містяться в поверхневих джгутиках у бактерії Salmonella, відкрився цікавий механізм, за допомогою якого склад цих білків варіювався. Необхідність для бактерії мати здатність змінювати поверхневі білки викликана тим, що коли вона потрапляє в організм і той виробляє проти неї відповідні антитіла, то їх тип визначається організмом саме по білкам джгутиків Salmonella. Змінюючи білок у своїх поверхневих джгутиках, бактерія рятується від знищення. Ясно, що антитіла, розраховані на взаємодію з колишнім білком, вже не здатні атакувати бактерію. Але яким же чином відбувається зміна?
Це-то і з’ясував аналіз структури бактеріальних генів. Виявилося, що в ДНК Salmonella є фрагмент, здатний повертатися на 180 градусів. Виявилося також, що цей фрагмент містить 995 пар основ, і при цьому порядок їх розташування на правому і лівому кінцях фрагмента такий, що один з кінців виявляється як би дзеркальним відображенням іншого. Тому фрагмент безперешкодно з’єднується з рештою ДНК бактерії, в яку б сторону він не був повернутий. При цьому, повертаючись, він включає в роботу то один, то інший з генів-сусідів. Відповідно виробляється або один, або інший тип білка.
По-іншому дія гена, що «повертається» проявляється у одного з видів дріжджів сахароміцетів. Їх стать в залежності від типу спарювань позначають знаком « +» або «—». Тип спарювання у цих дріжджів не заданий раз і назавжди. Час від часу вони здатні змінювати свою стать. Які молекулярно-генетичні механізми роблять можливим такий процес? У цих дріжджів є гени, що кодують приналежність до тієї чи іншої статі. А між цими генами розташований фрагмент ДНК, здатний, як і у випадку з сальмонелою, повертатися на 180 градусів. Коли цей фрагмент повернутий в одну сторону, працює ген, що визначає приналежність до + статі, коли повернутий в іншу, то функціонує ген — статі.
У генетиці сукупність зовнішніх ознак організму називають фенотипом. Обидва розглянуті приклади показують, що дуже істотні фенотипічні зміни можуть відбутися всього лише через обертання фрагмента ДНК. Такої події іноді виявляється досить для того, щоб клітина пристосувалася до змінених зовнішніх умов.
Ще більш вражаючий процес утворення в організмі з так званих клітин-мандрівниць зрілих лімфоцитів, що виробляють специфічні захисні імуноглобуліни проти чужорідних агентів.
Індивідуум здатний виробляти величезну кількість різних імуноглобулінів – приблизно від одного до десяти мільйонів. Спроби зрозуміти, як це відбувається, спочатку призвели до створення двох гіпотез. Перша з них допускала, що існує один-єдиний ген імуноглобуліну, а все розмаїття імуноглобулінів виходить шляхом зміни послідовності основ в цьому гені (в результаті мутацій). Друга гіпотеза стверджувала, що в ДНК лімфоцитів є готові гени для всіляких імуноглобулінів.
Природа виявилася дотепніше цих гіпотез! Вона пішла шляхом, який представлявся неймовірним. Гени імуноглобулінів виявилися зібраними з блоків. Адже досить замінити тільки один блок, і ген імуноглобуліну буде вже іншим.
Вчений рідко йде по тому шляху, що був прокладений попередньо. Швидше його можна порівняти з подорожнім, який пробирається по переплетених вуличках незнайомого міста. І хоча він знає, куди хоче потрапити, часто виявляється зовсім не в тому місці.
Вчені вирішили виділити з ДНК дрозофіли будь-якої з функціонуючих генів, щоб розмножити її в копіях, а потім вивчити структуру прилеглих до неї в хромосомі регуляторних ділянок. Вдалося скопіювати кілька генів, що відповідають за синтез інформаційної РНК. Здавалося б, мета досягнута, але дослідників чекав сюрприз. При спробі з’ясувати, де ж в клітинних хромосомах розташований кожен з виділених генів, виявилося, що вони є в хромосомах в декількох десятках і навіть сотнях копій. Більш того, у різних ліній мух ці гени розташовані в різних ділянках хромосом, відрізняється і число копій. Хоча і рідко, вони можуть переміщатися. Тому такі гени стали позначати як МДГ – мобільні дисперговані гени.
Детальне вивчення МДГ дозволило зробити висновки принципової важливості. Виявилося, що вони впливають на характер інформації, кодованої іншими генами. Так, у дрозофіли дуже давно описана мутація, при якій змінюється колір очей. Причиною цього, як зараз доведено, є впровадження МДГ в ген, відповідальний за забарвлення очей.
Більш того, вчені вели спостереження над лінією мух з низькою життєздатністю і з’ясували, що зрідка спостерігається у цих мух вибухове (відразу в наступному поколінні) її наростання, що супроводжується переміщеннями МДГ. Питання про те, в чому полягають біохімічні відмінності більш життєздатних представників виду від їх побратимів, давно хвилює вчених. І ось висунута гіпотеза про те, що саме мобільні дисперговані гени своєю присутністю або відсутністю близько генів, що кодують білки, змінюють їх діяльність. МДГ, мабуть, можуть виступати як потужний регуляторний фактор, що перебудовує іноді роботу всього генетичного апарату, змінюючи одночасно активність багатьох ферментних систем.
Мобільні дисперговані гени знайдені вже у дріжджів, є вони і у ссавців. За своєю будовою вони виявилися дуже схожими на ті самі гени бактерій, що переміщаються, які контролюють стійкість до антибіотиків. Більш того, в їх будові виявилася і ще одна особливість надзвичайної важливості — виявилося, що ДНК мобільних генів і геном РНК – містять віруси (ретровіруси), що викликають пухлини у тварин, подібні за своєю первинною структурою. І подібно до того, як МДГ здатні переміщатися по геному клітин за рахунок вбудовування в інше місце хромосоми, так і ДНК — копія проникла в клітину ретровірусу — здатна вбудовуватися в різні ділянки клітинної ДНК. Важливо, що в ДНК — копіях ретровірусів і в ДНК МДГ є послідовності, відповідальні і за впровадження в геном клітини, і за регуляцію зчитування генетичної інформації. При цьому, розпочавшись на таких послідовностях зі складу МДГ або вірусу, зчитування може поширитися і на початково «мовчазні» гени.
Сьогодні цілком зрозуміло, що в ДНК клітини є кілька генів, які називаються потенційними онкогенами, нерегульоване (незаплановане) зчитування яких перетворює клітину в пухлинну.
Тому питання про ставлення елементів, що переміщаються до виникнення пухлин — це не тільки теоретичне питання. Вирішення його, безсумнівно, спричинить за собою принципово нові практичні підходи до розпізнавання і лікування раку. Лабораторії багатьох країн вивчають сьогодні цю проблему.
Вірус іноді і переносить онкоген з клітини в клітину, з організму в організм. Напевно, він може переносити й інші гени. Але відомості, які є з цього приводу, відносяться головним чином до генів бактерій.
Для багатоклітинних організмів поза статева передача генів, можливо, відіграє меншу роль. Проте, деякі факти звертають на себе увагу. Так, в природних популяціях мухи-дрозофіли іноді виникає свого роду мода на мутації. Були роки, коли в десятки і сотні разів зростала частота мутацій, що змінюють у мух колір тіла і очей. Потім з’явилося безліч мух з ненормальною будовою черевця. Нарешті, в ряді ізольованих один від одного популяцій стався спалах мутацій, що характеризуються особливою формою щетинок.
Якщо, як вважає доктор біологічних наук М. Д. Голубовський, підвищення частоти мутацій абсолютно певних генів в популяціях дрозофіли, розділених сотнями і тисячами кілометрів, дійсно викликано швидким поширенням якоїсь інфекції, то не виключено, що агент, який її викликає, це якийсь мобільний елемент, який вбудовується в певний ген і змінює прояв його програми.
Який механізм лежить в основі переміщення генів? Яким чином фрагменти безперервної нитки ДНК можуть зникати в одному місці, з’являтися в іншому? Спосіб переміщення фрагментів ДНК залишається в цілому досі нез’ясованим. Безсумнівно, однак, що потрібні специфічні ферменти, що розривають нитки ДНК в строго визначених місцях. Крім цього, в перенесенні може брати участь цілий ряд синтезуючих, зшиваючих та інших ферментів. Подібні ферменти можуть кодуватися як самим елементом, що переміщається, так й іншими клітинними генами. Загадковий і процес вбудовування в клітинні хромосоми копій пухлинних вірусів.
Схожість в будові елементів, що переміщаються і ряду РНК-містних вірусів змусила поставити ще одне важливе питання: чи не виникли ці віруси з елементів, що переміщаються? Говард Темін, який отримав Нобелівську премію за відкриття ферменту, що будує на РНК її ДНК-копію, припускає, що еволюція генів, що переміщаються в ретровіруси могла б відбуватися так. Невеликий елемент, що переміщається захоплює з собою сусідні клітинні гени, а потім функції цих генів дещо змінюються подальшими мутаціями і весь сукупний ланцюжок починає жити за програмою справжнього вірусу. Наприклад, її РНК-копії упаковуються у вірусні частинки. Це припущення підтверджується тим фактом, що в геномі миші були знайдені гени, що за своїми ознаками представляють щось середнє між МДГ і ретровірусами.
В даний час цілком зрозуміло, що ряд ретровірусів здатний викликати рак у курей, котів, мишей та інших тварин. Це змушує онкологів детально вивчати такі віруси. Але найретельніший аналіз пухлин людини не виявив причетності ретровірусів до їх виникнення. І сьогодні у вірусологів складається враження, що або ретровіруси не грають ніякої ролі у виникненні пухлин у людини, або вона дуже незначна.
І якщо роль вірусів у виникненні раку у людини невелика, то, може бути, у формуванні онкогенної програми істотна роль мобільних елементів?
Чи дійсно мобільні гени – той ключ, який дозволить пояснити мінливість організмів в природі не чисто випадковими механізмами? Вивчення мобільних генів по-справжньому тільки-тільки почалося. Сьогодні ми маємо більше поставлених питань, ніж вирішених завдань. Однак можна впевнено стверджувати, що подібні гени дозволяють різним клітинам не тільки швидко пристосуватися до змінених зовнішніх умов, але навіть здатні змінювати фенотип організму. Нам сьогодні, мабуть, відомі далеко не всі класи наявних в природі мобільних генів. І важко сказати, який час буде потрібний дослідникам для вирішення завдань, що стоять в цій області. Але важливість результатів подібних досліджень величезна.
Так, розрахунки показують, що темпи змін генетичного матеріалу, обумовлені випадковими мутаціями, абсолютно не відповідають швидкості еволюції органічного світу. Висловлюються навіть припущення, що і в індивідуальному розвитку організму (наприклад, коли з єдиної заплідненої клітини розвивається все різноманіття потрібних організму тканин з різними функціями) один з потужних факторів — перебудови геному. І якщо у нас немає сумнівів в тому, що спеціалізація клітин, наприклад, відбувається під керівництвом спадкового апарату (хоча конкретні генетичні механізми ще не відомі), саме вивчення властивостей мобільних генів вперше дає матеріальну базу і для постановки питання про якусь спрямованість в еволюції живої природи.
Значенням мобільних генів ще потрібно осмислення як загально-біологічне, так і філософське. Регуляція генної активності, створення нових генетичних програм, канцерогенез, еволюція — ось далеко не повне коло проблем, до вирішення яких вивчення мобільних генетичних елементів має пряме відношення.
Автор: Н. Миронов.