Спадковість без хромосом
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.
Якщо небіолога запитати про те, як передається спадковість, напевно почуєш у відповідь про гени і хромосоми. Ці слова вже стали звичними. Особи, більш обізнані, згадають про нуклеїнові кислоти. Визнано, що нуклеїнові кислоти діють всередині генів. Гени – це складові частини хромосом. Останні ж зосереджені всередині клітинного ядра. Ядро в цілому прийнято вважати основою спадковості. Ця думка підтвердилася завдяки блискучим успіхам, досягнутим генетикою, а особливо завдяки відкриттю «коду спадковості». Цей «код» – та чи інша комбінація чотирьох білкових підстав (аденіну, гуаніну, тиміну і цитозину) в молекулі дезоксирибонуклеїнової кислоти – дозволяє зосередити в мінімальному обсязі ядра всю спадкову інформацію. Чи всю? У цьому-то і вся заковика!
У той момент, коли згадані відомості про механізм спадковості починають поширюватися серед небіологів, у великому числі робіт самих біологів з’являються похмурі роздуми у зв’язку з прекрасною, здавалося б, схемою, за якою спадковість тісно пов’язана з клітинним ядром.
Голова без тіла або тіло без голови
Клітина, у якої вилучено ядро, схожа на тіло без голови. В крайньому випадку, вона може прожити кілька миттєвостей, а потім гине. Виняток, який представляють собою червоні кров’яні тільця – клітини, чудово існуючі без ядра, – тільки підтверджує роль ядра в передачі спадковості, так як червоні кров’яні тільця нездатні відтворюватися. Точно так же ядро, відокремлене від решти клітини, нагадує генерального директора, відірваного від своїх службовців, апарату, заводів. Він володіє інформацією, яку нікому передавати, він здатний приймати рішення, які нема кому виконувати. Саме під таким кутом зору біологи стали дивитися на роль цитоплазми, що оточує ядро. Її порівняли з працівником, який виконує накази, отримані зверху, – виготовляє білки і ферменти, відкладає резерви, точно вказує елементи, необхідні для підтримки життя, і проводить їх обробку. Це просто виконавець і нічого більше.
Концепція швидко перетворилася в догму. Але до сорокових років стали відомі деякі факти, що посіяли в умах перші зерна сумніву. Спостерігалися ознаки, які передавалися у спадок, не підкоряючись строгим законам Менделя. Спадковість в цих випадках не визначалася хромосомами, не контролювалася ними.
Головне – материнська цитоплазма
Якось біолог Хорсоадіус провів цікавий дослід. Він запліднив жіночі клітини одного виду морських їжаків сперматозоїдами самців іншого виду. Велика частина морських їжаків-нащадків мала тільки материнські ознаки. Але ж це означало, що жіночі клітини були відірвані від свого ядра! Це був один з тих – найперших – випадків, коли починало здаватися, що мати грає якусь особливу роль, причому за посередництвом цитоплазми.
Справді, перед заплідненням зародкова клітина сильно збільшується за рахунок наповнення цитоплазмою. Вона приблизно в п’ятдесят тисяч разів більше сперматозоїда, тоді як розмір їх хромосом приблизно однаковий. Значення цитоплазми підтверджується вже тим, що саме в ній створюється запас поживних речовин, необхідних для підтримки життя зародка і для його розвитку. Сперматозоїд, проникаючи в зародкову клітину, приносить в неї лише свої хромосоми. Якщо вже організм схожий на матір і тільки на матір, це повинно було бути справою лише цитоплазми. Можна уявити собі реакцію біологів класичного напряму на ці досліди і на подібні висновки. Тим більше, що вони не набули ще остаточної чіткості…
Близько того ж часу німець фон Ваштейн провів кілька цікавих дослідів на рослинах. (До речі сказати, саме досліди на рослинах дали найбільше цікавих фактів.) Він схрещував мохи певного виду і встановив явну перевагу материнських ознак в потомстві. На основі цих дослідів біолог припустив, що в цитоплазмі можуть існувати елементи, подібні до тих, які існують в хромосомах.
Потім були встановлені інші хвилюючі факти, фізіолог Міхаеліс, досліджуючи мозаїчність рослин, виявив цікаве явище. Мозаїчні хвороби відомі давно. Причиною їх виникнення, як з’ясували біологи, є віруси і грибки, що ведуть паразитичний спосіб життя на рослинах. Це пояснення справедливо для багатьох рослин, але не для всіх. У ряді випадків мозаїчність – проблема чисто спадкова.
На листі, враженому мозаїкою рослин, є ділянки, позбавлені хлорофілу, – ділянки-кальбіноси. Походження їх пояснюється тим, що в процесі росту деякі клітини спадково втратили здатність до синтезу хлорофілу. Інші ділянки тої ж рослини зелені. Тут відбувається синтез хлорофілу. Результати дослідів Міхаеліса показали, що в потомстві рослин розташування цих двох зон залежить виключно від того, де утворилася жіноча зародкова клітина. Інакше кажучи, ознака ніколи не залежить від пилку. Зародкові клітини квітів, що утворилися на зеленій ділянці рослини, давали початок насінню, яке проростало зеленими сходами. Насіння, що походило з безхлорофільної ділянки, давало безбарвні паростки. А ті, що зародилися на мозаїчній ділянці, давали три види паростків: зелені, безбарвні і мозаїчні. Це ще один приклад материнської спадковості.
Єдине представлене біологами пояснення цього факту таке: так як тільки жіночі зародкові клітини визначають передачу мозаїчності у спадок, то генетична інформація передається цитоплазмою.
«Єретична» генетика
Кількість дослідів збільшилася. Зрозуміло, розгорілася запекла наукова суперечка. Але стало помітно, що число затятих супротивників нехромосомної спадковості значно зменшилося. Теорія нехромосомної спадковості як додаток до основної теорії пробиває собі дорогу. Це питання починає захоплювати біологів. Вчені заговорили про цитоплазматичну генетику. Нехромосомна спадковість стала офіційно визнаним фактом.
Відтепер біологи роблять перші спроби пояснити давно спостережені незвичайні факти. Тепер, коли свідомість підготовлена до сприйняття нової теорії, виявляються численні підтвердження її. Вони, ці докази, існували і раніше, але вперто не помічалися тільки тому, що ніхто не хотів їх бачити…
Викликає сумнів не сама менделівська теорія спадковості, а її однобічність. Відтепер питання ставиться так: чи тільки ядро зі своїми хромосомами і хромосоми зі своїми генами грають роль в спадковості, чи є й інші елементи, що управляють нею? Може бути, існує навіть можливість передачі спадковості і в тому випадку, коли хромосоми (а отже, і ядро клітини) не приймають в ній участі.
Цікаво відзначити, що технічний прогрес, який сприяв недавньому блискучому успіху класичної «хромосомної генетики», послужив разом з тим і поштовхом до розвитку «єретичної» генетики. У цитоплазмі стільки складових речовин, причому настільки маленьких розмірів, що в усьому цьому неможливо розібратися без електронного мікроскопа. У клітинній цитоплазмі, як в рослинній, так і в тваринної, є мітохондрії і рибосоми, без яких неможливий синтез первинних білків і ферментів, апарат Гольджі та інші утворення, що виконують певні функції.
Але як же все-таки цитоплазма може передавати генетичну інформацію? Гіпотеза, яку допускає велика частина біологів – прихильників нехромосомної теорії спадковості, полягає в тому, що існують гени, майже подібні до тих, які концентруються в ядрі. Але з тою, однак, відмінністю, що хромосоми не є їх носіями. Це гени, що існують у вільному вигляді в цитоплазмі: плазмогени.
Де і коли могли б ці спадкові елементи відтворюватися в цитоплазмі? У цьому питанні думки розходяться. Увага біологів зосереджується на декількох компонентах цитоплазми: мітохондріях, які виявляються як у тварин, так і у рослин, рибосомах і хлоропластах. Нещодавно, з’ясувалося, що і ті й інші є самовідтворюючими елементами: вони завжди утворюються з раніше існуючих елементів, вони завжди зможуть бути хранителями генетичної інформації. Але це ще не доведено.
Гіпотеза плазмогенів набуває дедалі більшого і більшого поширення. На генетичному конгресі в Гайї американка Рут Сарджер з Колумбійського університету представила результати цікавих робіт, проведених нею у співпраці з японським біологом Іосіріро Цубо. Впливаючи на цитоплазму, їм вдається викликати мутації – зміни спадкових ознак. Вони ж доводять, що чоловічі клітини також можуть передавати нехромосомні гени. Таким чином, стало можливо дослідження схрещування між батьківськими і материнськими нехромосомними генами. Доктор Сарджер висловила думку, що в цитоплазмі існує кілька примірників нехромосомного гена, тоді як в хромосомах виявляється, навпаки, лише один екземпляр.
У гіпотезі плазмогенів в області нехромосомної генетики є гіпотези-суперниці. Ця обставина – зайвий козир в руках її противників; якщо вже прихильники нехромосомної спадковості не можуть порозумітися один з одним, то як бути іншим?
Залізна логіка на користь рівноваги дій
Друга гіпотеза, яку висувають генетики, це гіпотеза рівноваги впливів. Суть її така. Речовина хромосом несе всю інформацію. Хромосоми управляють всіма процесами синтезу. Але вони роблять свою роботу не постійно, а лише тоді, коли це необхідно.
У природі повинні існувати механізми координації і регулювання. Їх призначення – контроль інформації, що надходить в якийсь пункт організму та внесення в неї якихось поправок, що залежать від навколишнього середовища і від призначення клітини. Це поки що область досить таємнича. Гіпотеза рівноваги впливу є тут не менш прийнятною, ніж будь-яка інша.
Біологи Жак Моно, Франсуа Жакоб та їх колеги з Пастерівського інституту провели прекрасні дослідження на бактерії кишкової палички. Досліди ці дозволили дещо відкрити таємничу завісу.
Існують два механізми, які контролюють обмін речовин в клітині. Кожен з них діє через посередників, якими є ферменти. Це або абсолютне гальмування процесів синтезу в клітині, або встановлення суворої рівноваги між збудженням і придушенням цих процесів. Генетична роль цитоплазми складатиметься в цьому випадку в контролі синтезу ферментів, за допомогою яких можна пригальмовувати, прискорювати або зовсім припиняти інші синтетичні процеси. При якійсь заданій спадковій інформації та у відповідних внутрішніх умовах виникають деякі стабільні положення, необхідні для того, щоб в клітині йшов активний обмін речовин. Можна припустити, наприклад, стан посиленого придушення обмінних процесів при невеликій кількості вільних ферментів. Або, навпаки, невелике придушення при достатку вільних ферментів.
Досліди, проведені на кишкову паличку, підтверджують теорію нехромосомної спадковості. Існує два види цих бактерій. Перший з них «вміє» постійно синтезувати у великих дозах фермент галактозідазу. Присутність у спільній культурі другого виду позначається в тому, що цей синтез звичайно пригнічується. При наявності ж порушення бактерій синтез йде звичайними темпами. Якщо збудження зникає, бактерії знову пригнічують синтез. Існує поріг такого порушення або навіть швидше два порога: значення їх неоднозначно в двох напрямках – в напрямку пригнічення синтезу і в напрямку припинення блокади. Величина цих порогів залежить від внутрішніх умов і визначається спадковими факторами.
Молекулярний «стриптиз»
Слід згадати також про гіпотезу «затравки». Як і гіпотеза рівноваги впливів, вона вдається до фізико-хімічних тлумачень.
Досить проникнення одного кристала в пересичений розчин, щоб викликати кристалізацію величезної маси речовини. Це відома істина, В біології відбувається часом те ж саме. У деяких випадках «запал» – мікроб – може покласти початок біологічному явищу. Ту ж роль здатні грати деякі клітинні елементи в силу їх спадкових якостей.
Пояснюючи гіпотезу «затравки», один з біологів, професор Геріт, наводить приклад з відновленням вірусу тютюнової мозаїки. У структурі його виявляються характерні для вірусу елементи: нуклеїнова серцевина і оболонка. Серцевина є ланцюг РНК, що включає 6 500 нуклеотидів (вихідних одиниць нуклеїнових кислот), молекули цукру, фосфорної кислоти і підстави, розташовані по спіралі, що складається з 130 витків. Оболонка просто окручена 130 витками і складається з 2 тисяч подібних підстав і білків з 150 амінокислотами.
Саме чудове полягає в тому, що з’єднання елементів відповідає виду оборотної реакції. У деяких середовищах протеїни вириваються з ланцюга і розчиняються в середовищі, оголюючи тим самим нуклеїнові спіралі. Цей «стриптиз» на молекулярному рівні звернемо. Структура здатна відновлюватися. Саме це робить частки біологічно ефективними, тобто здатними легко поширювати інфекцію. Відновлення зводиться до кристалізації; це ендотермічний процес, який не потребує втручання ферментів.
А якби спадковістю зайнялась клітинна мембрана
Як ми переконалися, жодна з трьох теорій не заперечує ролі ядра в спадковості. Навпаки, вони дозволяють її точно встановити. Справді, якщо вони виявляться справедливими, то буде доведено, що існує два механізми спадковості. Перший заснований на самовідтворенні елементів «коду спадковості», що нескінченно передають постійний комплекс інформації. Інший механізм, за своєю організацією знаходиться на більш низькому рівні, змінює форму вираження цих елементів. Чи є цитоплазматичною ця друга спадковість, або вона діє на рівні ядра? Біологи поки ще не висловлюють з цього приводу своєї остаточної думки. Спочатку вони охрестили нехромосомну спадковість «цитоплазматичною». З обережності термін був відкинутий, і тепер вважають за краще говорити, що існує генетика і, можливо, «епігенетика».
Як бачимо, нехромосомна спадковість вже вийшла з грудного віку, і тепер її можна порівняти з дитиною, яка робить свої перші кроки; вона хитається, падає, знову йде, просувається вперед на четвереньках, але, врешті-решт, наближається до своєї мети. Хвилюючі висновки настільки привабливих гіпотез ще не підтверджені експериментами. Ніхто не наважується дати тлумачення фактів.
Незважаючи на все це, нехромосомна спадковість стає найбільш злободенним питанням. Тепер, коли відкритий генетичний код, залишається дізнатися, як він застосовується. Яким чином накази, присутні у всіх клітинах, не поширюються всюди, як функціонують механізми, що забезпечують єдність клітини, її регулювання і диференціацію?
Нехромосомній спадковості, звичайно, є що сказати з приводу цих механізмів. Деякі навіть висловлюють припущення, що вона є причетною до проблем раку.
А ось що змушує думати, що і третя частина клітини бере участь у спадковості. За останніми даними, клітинна мембрана відіграє самостійну роль в генетиці. Початкові досліди доктора Курті з Лондонського університету позбавлені деяких точних подробиць. Можна собі уявити, з яким нетерпінням чекають їх всі фахівці. Ті часи, коли вважалося, що ядро відіграє головну роль в спадковості, давно пройшли. Якщо раніше йому завжди відводилася головна роль, то відтепер воно повинно миритися з присутністю «напарників». Вже стало ясно, що в передачі спадковості бере участь вся клітина.
Автор: Мартін Ренью.