ПРИНЦИП ФАКУЛЬТАТИВНОСТИ, ОБОБЩЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ГЕНОМА И НАСЛЕДСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

М. Д. Голубовский

Санкт-Петербургский филиал Института истории естествознания и техники РАН Санкт-Петербург, Россия;

Университет Калифорния, Беркли, Калифорния, США: mdgolub@gmail. com

Факультативность в структуре и функции генома есть одно из выражений универ — сального принципа в организации и эволюции живых систем всех уровней — «един — ство целого при свободе частей». На уровне генома факультативность структуры состоит в подразделении ДНК и РНК элементов ядра и цитоплазмы на две подси — стемы: а) облигатные компоненты (гены, их семейства и комплексы) и б) множество факультативных компонентов (начиная с разного типа повторов ДНК, мобильных элементов, ампликонов, плазмид, встроенных вирусов и цитобионтов). Их количе — ство и внутриклеточная топография варьирует в разных клетках, тканях, организ — мах одного вида. Функциональная факультативность основана на вариативности трех матричных процессов — репликации, транскрипции и трансляции — и трех основных генетических процессов — репарации, рекомбинации и сегрегации. Эти две триады процессов универсальны и свойственны прокариотам и эукариотам. Обобщенная концепция генома включает описание генома как ансамбля облигатных и факультативных элементов, анализ факультативности в функции матричных и ге- нетических процессов и учет всего разнообразия форм структурно-динамических наследуемых изменений. Помимо мутаций следует выделять вариации (разного рода изменения ФК) и эпигенетические альтерации, или эпимутации. Между ОК и ФК подсистемами генома постоянно происходит миграция генетических элементов: ампликоны и их воплощения. Процесс возникновения de novo наследственных изме- нений в природе двухэтапен: сначала при действии средовых факторов обычно про — исходят вариации в подсистеме ФК и эпимутации, а затем и структурные изменения ОК, или мутации. Вариации и эпигенетические альтерации, в отличие от мутаций, могут происходить с большой частотой и возникать массово и упорядоченно.

Ключевые слова: геном, изменчивость, мутации, вариации, эпигенетика, эволюция.

Данные по расшифровке молекулярной структуры геномов множества видов и путях их функционирования в ходе онтогенеза и эволюции вновь возвращают нас к ситуации «парламента идей» о формах и закономерностях организации наслед — ственной системы и ее изменчивости. Такой парламент идей существовал в первые два десятилетия становления генетики и был с позиции истории науки концепту — ально проанализирован А. А. Любищевым (Любищев, 1925; Голубовский, 2004). Справедливо отмечено, что в настоящее время в ходу «противоречивая класси — фикация» форм изменчивости, а основные понятия (ген, мутация или эпигене — тическая изменчивость) «объединяют разнородные явления» (Инге-Вечтомов,

2009). Необходим критический анализ семантики и эволюции основных понятий, как это сделано международным коллективом авторов в случае концепции гена (The concept… 2000).

Остановимся в контексте настоящей статьи на эволюции ключевого понятия

«геном». Впервые его в 1920 г. ввел цитолог Г. Винклер (Hans Winkler) для обо-значения совокупности наследственных факторов в гаплоидном наборе хромосоме.

В этом смысле пользуются термином «геномный анализ» у растений или термином

«размер генома» — количество ДНК гаплоидного набора хромосом. Затем к геному

стали относить и обнаруженные у бактерий разного рода факультативные элементы

типа плазмид и транспозонов. Семантика термина постепенно расширялась. Теперь

бытуют два его смысла: первоначальный, более узкий, и обобщенный — для обо-значения всей наследственной конституции клетки, включая структурные и дина-мические аспекты. В известной молекулярной сводке Р. Б. Хесина «Непостоянство

генома» под геномом понимается вся наследственная субстанция клетки, куда вхо-дят состав и структура самых разных элементов ядра и цитоплазмы, а также система

устойчивых динамические связи между ними, от которых зависят многие признаки

организма (Хесин, 1984).

Термин «геном» в широком смысле, а также введенный впервые в 1909 г.

В. Иогансеном термин «генотип» семантически стали близки. Они соответству-ют всей наследственной конституции зиготы (клетки, организма), а не только на-бору генов хромосом. Весьма современно звучит предостережение В. Иогансена,

что «живой организм надо понимать как целую систему не только во взрослом со-стоянии, но и в течение всего его развития… Было бы неправильным предполагать

бесконечную расчленяемость фенотипа живого организма на отдельные элементы,

отдельные явления, т. е. на простые фены» (Иогансен, 1933, с. 124). Многообразие

самовоспроизводящихся элементов ядра и цитоплазмы приходится анализировать

с позиций «внутриклеточной популяционной генетики» (Хесин, 1984). Такой под-ход естественным образом ведет к признанию разного рода неканонических или не-менделевских форм наследственной изменчивости.

В начале 1980-х гг. Хесин особо выделил и рассмотрел три формы неканони-ческой наследственной изменчивости: неслучайные упорядоченные изменения в

локусах и участках хромосом, состоящих из повторов ДНК, изменения и наследова-ние свойств цитоплазмы и эпигенетическое наследование локальных и общих изме-нений упаковки хроматина. Затем добавилась изменчивость, связанная с разными

мобильными элементами, анализ поведения которых привел к проблеме непостоян-ства геномов (Хесин, 1984).

Неожиданно в конце ХХ в. вопрос о том, каковы границы и спектр наследствен-ной изменчивости, вышел за рамки чисто академических дискуссий. Сначала в Ан-глии, а потом и в Германии пришлось забивать скот из-за нейродегенеративной ано-малии, способной передаваться людям с мясом больных животных. Инфекционным

агентом оказались не ДНК или РНК, а белки, названные прионами (prions — protein

infectious particles — белковые инфекционные частицы). Впервые с их необычным

проявлением исследователи столкнулись еще в 1960-е гг. Но тогда этот феномен

пытались истолковать в рамках классических представлений, полагая, что это «мед-ленные вирусные инфекции» животных или особый тип супрессорных мутаций у

дрожжей. Теперь выясняется, что «феномен прионов не является экзотикой, ха-рактерной для млекопитающих, а скорее — частным случаем общебиологического

механизма» динамического наследования (Инге-Вечтомов, 2000). Вероятно, цен-тральную догму молекулярной генетики придется дополнить с учетом возможности

внутри — и межвидовой передачи по типу инфекций.

Цель данной статьи — показать, что разные формы неменделевского наследова-ния не исключение, а следствие более общих представлений об организации генома

(Голубовский, 2000).

Принцип факультативности, обобщенная концепция геномаи наследственная изменчивость

2. Принцип факультативности и обобщенная концепция генома

Факультативность в структуре и функции генома есть одно из выражений универсального принципа в организации и эволюции живых систем всех уровней:

«единство целого при свободе частей». В наследственной системе (геноме) суще — ствуют разные структурные и динамические способы кодирования, хранения и пере — дачи наследственной информации. Последние составляют базу динамической на- следственности (основы теории — работы Чураева, 2005). Обобщенная концепция генома включает: а) описание генома как ансамбля облигатных и факультативных элементов; б) анализ факультативности в функции матричных и генетических про — цессов и в) учет всего разнообразия форм структурно-динамических наследуемых изменений (Голубовский, 2000).

2.1. Структурная факультативность

Факультативность структуры проявляется уже в вырожденности генетическо — го кода. На уровне генома факультативность структуры состоит в подразделении ДНК и РНК элементов ядра и цитоплазмы на две подсистемы: а) облигатные ком — поненты — ОК (гены, их семейства и комплексы) и б) множество факультативных компонентов — ФК (начиная с разного типа повторов ДНК, мобильных элементов, ампликонов, плазмид, встроенных вирусов и цитобионтов).

Их количество и внутриклеточная топография варьирует в разных клетках, тканях, организмах одного вида. Такое подразделение на две подсистемы предложено мной в

1985 г., дабы совместить данные классической и «подвижной» генетики (Гипу инфекций.

Цель данной статьи — показать, что разные формы неменделевского наследова-ния не исключение, а следствие более общих представлений об организации генома

(Голубовский, 2000).

Принцип факультативности, обобщенная концепция геномаи наследственная изменчивость

2. Принцип факультативности и обобщенная концепция генома

Факультативность в структуре и функции генома есть одно из выражений универсального принципа в организации и эволюции живых систем всех уровней:

«единство целого при свободе частей». В наследственной системе (геноме) суще — ствуют разные структурные и динамические способы кодирования, хранения и пере — дачи наследственной информации. Последние составляют базу динамической на- следственности (основы теории — работы Чураева, 2005). Обобщенная концепция генома включает: а) описание генома как ансамбля облигатных и факультативных элементов; б) анализ факультативности в функции матричных и генетических про — цессов и в) учет всего разнообразия форм структурно-динамических наследуемых изменений (Голубовский, 2000).

2.1. Структурная факультативность

Факультативность структуры проявляется уже в вырожденности генетическо — го кода. На уровне генома факультативность структуры состоит в подразделении ДНК и РНК элементов ядра и цитоплазмы на две подсистемы: а) облигатные ком — поненты — ОК (гены, их семейства и комплексы) и б) множество факультативных компонентов — ФК (начиная с разного типа повторов ДНК, мобильных элементов, ампликонов, плазмид, встроенных вирусов и цитобионтов).

Их количество и внутриклеточная топография варьирует в разных клетках, тканях, организмах одного вида. Такое подразделение на две подсистемы предложено мной в

1985 г., дабы совместить данные классической и «подвижной» генетики (Голубовский,

2000). Из этой естественной классификации вытекают важные следствия, позволяющие

осмыслить или сформулировать многие необычные факты из области наследственной

изменчивости. Назовем некоторые из них (подр. см.: Голубовский, 2000):

1. Универсальность факультативности. Нет видовых геномов, которые состо-ят лишь из облигатных элементов, как нет живых организмов, состоящих лишь из

одного скелетного остова.

2. Генетическая неидентичность дочерних клеток. В силу случайности они различа-ются по числу и составу цитоплазматических факультативных элементов. Соотношение

фракций облигатных и факультативных элементов ДНК — относительно устойчивый

видовой признак. Имея сходное число генных локусов, близкие виды могут отличаться

по количеству ДНК в 2–5 и более раз, наращивая блоки повторов и меняя их геном-ную топографию. Между облигатной и факультативной частями генома непрерывно

наблюдаются разные переходы. Самые очевидные примеры — мутации генов за счет

внедрения (инсерций) мобильных элементов или умножение числа (амплификация)

сегментов хромосом и переход их в разные внутри — и внехромосомные состояния.

3. Характерный тип наследственной изменчивости для каждой из двух подси-стем генома. Моргановские мутации легко соотносятся с облигатным компонентом.

Разнообразные наследственные изменения в числе и топографии факультативных

элементов я предложил называть «вариациями» (как в музыке — вариации на за-данную тему). Мутации, согласно классическим представлениям, происходят, как

правило, случайно, с низкой частотой у отдельных особей. Характер вариаций со-всем иной — здесь возможны массовые, упорядоченные изменения под действием

самых разных, в том числе слабых немутагенных факторов (температуры, пищевого

режима и т. д.).

4. Двухэтапный характер больши осуществляются в три этапа — инициация, воспроизведение матрицы и терминация;

2) в случае ошибок при построении матрицы происходит коррекция; 3) поливари — антность элементов матрицы (или их факультативность) (Инге-Вечтомов, 2009).

Очевидно, что эти три свойства характерны и для выделенных выше трех основ — ных генетических процессов. Так, за сегрегацию клеточных геномов в процессе митоза отвечают этапы инициации и терминации процесса, а также особые «кон — трольные точки» (check points), где проверяется правильность прохождения пред — ыдущего этапа, происходит коррекция, и если она невозможна, процесс клеточного деления останавливается.

Очевидно, наследственные изменения возникают в результате ошибок процес — сов, возникающих в ходе функционирования двух наследственных триад, инвари — антных для любых живых организмов: 1) репликации, транскрипции, трансляции;

2) репарации, рекомбинации и сегрегации.

В рамках данной статьи особо остановимся на свойстве факультативности.

С помощью бархатной материи они получали точные копии — отпечатки — опытно — го посева бактерий на чашке Петри. Затем на одной из чашек вели отбор на устой- чивость к фагу и сопоставляли топографию точек появления устойчивых бактерий на чашке с фагом и в контроле. Расположение устойчивых к фагу колоний было одинаковым в двух чашках-репликах. Такой же результат получили и при анализе положительных мутаций у бактерий, дефектных по какому-либо метаболиту.

Открытия в области подвижной генетики показали, что клетка, как целостная система, в ходе отбора может адаптивно перестраивать свой геном. Она способна ответить на вызов среды активным генетическим поиском, а не пассивно ждать слу — чайного возникновения мутации, позволяющей выжить. А в опытах супругов Ле — дерберг у клеток не было выбора: либо смерть, либо адаптивная мутация.

В тех же случаях, когда фактор отбора не летален, возможны постепенные перестройки генома, прямо или косвенно связанные с условиями отбора. Это вы — яснилось с открытием в конце 1970-х гг. постепенного умножения числа локусов, в которых расположены гены устойчивости к селективному агенту, блокирующему деление клеток. Известно, что метотрексат — ингибитор клеточного деления — ши- роко применяется в медицине для остановки роста злокачественных клеток. Этот клеточный яд инактивирует фермент дигидрофолатредуктазу (ДГФР), работу которого контролирует определенный ген.

Рассмотрим, как в ходе подобного отбора менялся геном у одноклеточного па — разитического жгутиконосца лейшмании Leishmania tropica, вызывающего кожные язвы и передающегося человеку москитами от грызунов. До начала опытов ген устойчивости был в геноме лейшмании в одной дозе. В результате отбора число генов устойчивости увеличилось (амплифицировалось). Что же наблюдалось при разных вариантах отбора? (подр. см.: Голубовский, 2000).

Устойчивость клеток лейшмании к яду-цитостатику (метотрексат) возрастала ступенчато, и пропорционально увеличивалась доля амплифицированных сегмен — тов с геном устойчивости. Умножался не только селектируемый ген, но и большие прилежащие к нему участки ДНК, названные ампликонами. Когда устойчивость к яду у лейшмании повысилась в 1000 раз, амплифицированные внехромосомные сегменты составили до 10 % ДНК в клетке! Можно сказать, что из одного обли — гатного гена образовался пул факультативных элементов. Произошла адаптивная перестройка генома в ходе отбора.

Если отбор продолжался достаточно долго, часть ампликонов встраивалась в исходную хромосому, и после прекращения отбора устойчиво сохранялась повы — шенная устойчивость. С удалением из среды селективного агента число амплико — нов с геном устойчивости постепенно снижалось в ряду поколений и одновременно падала устойчивость. Тем самым был смоделирован феномен длительных модифи — каций, когда массовые изменения, вызванные средой, наследуются, но постепенно угасают в ряду поколений.

Прис открытием в конце 1970-х гг. постепенного умножения числа локусов, в которых расположены гены устойчивости к селективному агенту, блокирующему деление клеток. Известно, что метотрексат — ингибитор клеточного деления — ши- роко применяется в медицине для остановки роста злокачественных клеток. Этот клеточный яд инактивирует фермент дигидрофолатредуктазу (ДГФР), работу которого контролирует определенный ген.

Рассмотрим, как в ходе подобного отбора менялся геном у одноклеточного па — разитического жгутиконосца лейшмании Leishmania tropica, вызывающего кожные язвы и передающегося человеку москитами от грызунов. До начала опытов ген устойчивости был в геноме лейшмании в одной дозе. В результате отбора число генов устойчивости увеличилось (амплифицировалось). Что же наблюдалось при разных вариантах отбора? (подр. см.: Голубовский, 2000).

Устойчивость клеток лейшмании к яду-цитостатику (метотрексат) возрастала ступенчато, и пропорционально увеличивалась доля амплифицированных сегмен — тов с геном устойчивости. Умножался не только селектируемый ген, но и большие прилежащие к нему участки ДНК, названные ампликонами. Когда устойчивость к яду у лейшмании повысилась в 1000 раз, амплифицированные внехромосомные сегменты составили до 10 % ДНК в клетке! Можно сказать, что из одного обли — гатного гена образовался пул факультативных элементов. Произошла адаптивная перестройка генома в ходе отбора.

Если отбор продолжался достаточно долго, часть ампликонов встраивалась в исходную хромосому, и после прекращения отбора устойчиво сохранялась повы — шенная устойчивость. С удалением из среды селективного агента число амплико — нов с геном устойчивости постепенно снижалось в ряду поколений и одновременно падала устойчивость. Тем самым был смоделирован феномен длительных модифи — каций, когда массовые изменения, вызванные средой, наследуются, но постепенно угасают в ряду поколений.

При повторном отборе часть сохранившихся в цитоплазме ампликонов обеспе — чивала быструю их автономную репликацию, и устойчивость возникала гораздо бы — стрее, чем в начале опытов. Иными словами, формировалась своеобразная клеточная ампликонная память о прошедшем отборе на основе сохранившихся ампликонов.

Если сопоставить метод реплик и ход отбора на устойчивость в случае ампли — фикации, то оказывается, что именно контакт с селективным фактором вызвал

преобразование генома, характер которого коррелировал с интенсивностью и на — правлением отбора.

3.2. Вариации факультативных элементов и приобретенные признаки

Историки науки отмечают, что дискуссия о наследовании или ненаследовании приобретенных в ходе онтогенеза признаков — одна из самых длительных и важных по своему смыслу и последствиям. Можно вспомнить аналогичную ситуацию с по — пытками превращения химических элементов. Алхимики верили в эту возможность, но в химии утвердился постулат о неизменности химических элементов. Однако ныне в ядерной физике и химии исследования по превращению элементов — дело обычное. Кто же оказался прав в многовековом споре? Можно сказать, что на уров — не химических молекулярных взаимодействий не происходит превращения элемен — тов, а на ядерном уровне оно — правило.

Напрашивается сходная аналогия и с вопросом о наследовании признаков, ко — торые появились в ходе онтогенеза. Если вновь возникающие наследственные из — менения сводить лишь к мутациям генов и хромосом, тогда вопрос о наследовании возникших в ходе онтогенеза признаков (приобретенных) можно считать закрытым. Но если исходить из обобщенной концепции генома, включая представление о ди — намической наследственности, решение проблемы нуждается в пересмотре. Помимо мутационной существуют вариационная и эпигенетическая формы наследственной изменчивости, связанные не с изменениями в тексте ДНК, а в состоянии гена. Такие эффекты обратимы и наследуемы.

Вышедший в конце 1991 г. Международный ежегодник по генетике открылся статьей О. Ландмана «На-spacerun:yes’> повторном отборе часть сохранившихся в цитоплазме ампликонов обеспе — чивала быструю их автономную репликацию, и устойчивость возникала гораздо бы — стрее, чем в начале опытов. Иными словами, формировалась своеобразная клеточная ампликонная память о прошедшем отборе на основе сохранившихся ампликонов.

Если сопоставить метод реплик и ход отбора на устойчивость в случае ампли — фикации, то оказывается, что именно контакт с селективным фактором вызвал

преобразование генома, характер которого коррелировал с интенсивностью и на — правлением отбора.

3.2. Вариации факультативных элементов и приобретенные признаки

Историки науки отмечают, что дискуссия о наследовании или ненаследовании приобретенных в ходе онтогенеза признаков — одна из самых длительных и важных по своему смыслу и последствиям. Можно вспомнить аналогичную ситуацию с по — пытками превращения химических элементов. Алхимики верили в эту возможность, но в химии утвердился постулат о неизменности химических элементов. Однако ныне в ядерной физике и химии исследования по превращению элементов — дело обычное. Кто же оказался прав в многовековом споре? Можно сказать, что на уров — не химических молекулярных взаимодействий не происходит превращения элемен — тов, а на ядерном уровне оно — правило.

Напрашивается сходная аналогия и с вопросом о наследовании признаков, ко — торые появились в ходе онтогенеза. Если вновь возникающие наследственные из — менения сводить лишь к мутациям генов и хромосом, тогда вопрос о наследовании возникших в ходе онтогенеза признаков (приобретенных) можно считать закрытым. Но если исходить из обобщенной концепции генома, включая представление о ди — намической наследственности, решение проблемы нуждается в пересмотре. Помимо мутационной существуют вариационная и эпигенетическая формы наследственной изменчивости, связанные не с изменениями в тексте ДНК, а в состоянии гена. Такие эффекты обратимы и наследуемы.

Вышедший в конце 1991 г. Международный ежегодник по генетике открылся статьей О. Ландмана «Наerun:yes’> Такие самки откладывают яйца, но часть эмбрионов гибнет на ранней стадии дробления — еще до образования бластомеры. Линии, выделенные из природных популяций, обычно отличаются по силе действия I-факторов и степени реактивности (или чувствительности) цито- плазмы. Эти показатели можно изменить внешним влиянием. Возраст исходных родительских самок, а также воздействие в ранний период развития повышенной температуры отражаются не только на плодовитости выросших самок, но и на пло — довитости их потомства. Вызванные условиями среды изменения реактивности ци — топлазмы поддерживаются на протяжении многих клеточных поколений. «Самое замечательное, что эти изменения реактивности цитоплазмы под влиянием негене — тических факторов наследуются: наблюдается наследование „благоприобретенных“ признаков», — отмечал Р. Б. Хесин (1984, с. 176).

4. Оогенез и эпигенетическое наследование

В теории развития и феногенетике ХХ в. важное место занимают глубокие и совершенно оригинальные исследования эмбриолога П. Г. Светлова (1892–1972). Им разработана теории квантованности онтогенеза (наличии критических периодов

в развитии, когда происходит детерминация морфогенетических процессов и од — новременно повышается чувствительность клеток к повреждающим агентам). Он аргументировал, что изучение онтогенеза надо вести не с момента оплодотворения и образования зиготы, а еще с гаметогенеза, включающего оогенез у самок предше — ствующего поколения — проэмбрионального периода.

На основании этих постулатов Светлов провел в 1960-е гг. простые и ясные опыты на дрозофиле и мышах. Он убедительно показал, что возможно стойкое не — менделевское наследование свойств цитоплазмы, а модификации в выраженности мутантных признаков, возникшие после кратковременного внешнего воздействия в критический период развития организма, тоже передаются в ряду поколений (см. обсуждение: Хесин, 1984; Голубовский, 2000).

В одной из серий опытов он сравнивал степень проявления мутантного призна — ка в потомстве двух линий мышей, гетерозиготных по рецессивной мутации микро — фтальмии (уменьшенный размер сетчатки и глаз с момента рождения): нормальных по фенотипу гетерозигот, у которых мутантными были матери, и тех, у которых му — тантны отцы. Потомство от мутантной бабушки отличалось более сильным прояв — лением признака. Светлов объяснял этот странный факт тем, что женские гаметы гетерозиготных самок находились еще в теле их мутантных матерей и испытывали с их стороны влияние, которое усилило мутации у внуков.

По существу Светлов установил явление, впоследствии получившее название

«геномный импринтинг» — различие в выраженности гена в зависимости от того,

пришел он к потомству от матери или от отца. Эти работы, увы, остались недооце-ненными. Дело в том, что еще в конце 1980-х гг. импринтинг, как остроумно заметил

генетик К. Сапиенца, было «принято считать генетическим курьезом, затрагивающим

лишь очень немногие признаки. Меня неоднократно спрашивали, почему я попросту

трачу свое время на столь незначительное явление» (Сапиенца, 1990, с. 19).

Большинство исследователей безоговорочно принимали одно из главных по-ложений Менделя — «зачаток», или ген, не может менять свои потенции в зави-симости от пола, на чем основано повсеместно наблюдаемое расщепление 3:1. При

анализе менделевского расщепления обычно рассматривают только наличие или

отсутствие признака, а если он количественный, то границу есть–нет устанавли-вали по принятому порогу. Если же выявить, какова степень проявления признака

(в современных терминах, степень транскрипции), обнаруживается феномен эпиге-нетического наследования.

Именно таков был подход Светлова, когда он тщательно изучал, как меняется

выраженность признаков у потомства в зависимости от материнского генотипа. Как

эмбриолог он видел общность наследственных и особых ненаследственных изме-нений — фенокопий (имитирующих мутации), если затрагивается один и тот же

морфогенетический аппарат, ответственный за осуществление данного признака.

Впервые на разных видах животных (дрозофилах и мышах) Светлов показал

возможность наследования через мейоз измененного характера проявления мутант-ного гена. Эти пионерские работы Хесин в своей сводке назвал замечательными

(Хесин, 1984). Кратковременное (20 мин) прогревание тела восьмидневного мы-шонка самки вызывало стойкие изменения ооцитов, ослаблявшие действие вред-ной мутации у внуков! «Передача улучшения развития глаз, наблюдаемая в опытах

с нагреванием, может быть объяснена только передачей свойств, приобретенных

ооцитами нагретых самок по наследству» (Светлов, Корсакова, 1966, с. 71). Этот

феномен Светлов связывал с особенностями формирования и строения яйцеклетки у животных, ибо «в ооците имеется как бы каркас, отражающий наиболее общие черты архитектоники строящегося организма». Для профилактики нарушений раз- вития у человека он обосновал необходимость изучения критических периодов га — метогенеза, в которых повышена чувствительность к повреждениям.

Этот вывод подтпризнака

(в современных терминах, степень транскрипции), обнаруживается феномен эпиге-нетического наследования.

Именно таков был подход Светлова, когда он тщательно изучал, как меняется

выраженность признаков у потомства в зависимости от материнского генотипа. Как

эмбриолог он видел общность наследственных и особых ненаследственных изме-нений — фенокопий (имитирующих мутации), если затрагивается один и тот же

морфогенетический аппарат, ответственный за осуществление данного признака.

Впервые на разных видах животных (дрозофилах и мышах) Светлов показал

возможность наследования через мейоз измененного характера проявления мутант-ного гена. Эти пионерские работы Хесин в своей сводке назвал замечательными

(Хесин, 1984). Кратковременное (20 мин) прогревание тела восьмидневного мы-шонка самки вызывало стойкие изменения ооцитов, ослаблявшие действие вред-ной мутации у внуков! «Передача улучшения развития глаз, наблюдаемая в опытах

с нагреванием, может быть объяснена только передачей свойств, приобретенных

ооцитами нагретых самок по наследству» (Светлов, Корсакова, 1966, с. 71). Этот

феномен Светлов связывал с особенностями формирования и строения яйцеклетки у животных, ибо «в ооците имеется как бы каркас, отражающий наиболее общие черты архитектоники строящегося организма». Для профилактики нарушений раз- вития у человека он обосновал необходимость изучения критических периодов га — метогенеза, в которых повышена чувствительность к повреждениям.

Этот вывод подтвержден молекулярно-генетическими исследованиями по — следних десятилетий (Корочкин, 1999). У дрозофилы установлены три системы материнских генов, которые формируют осевую и полярную гетерогенность цито- плазмы и градиенты распределения биологически активных генных продуктов. За — долго до начала оплодотворения происходит молекулярная детерминация (предо — пределение) плана строения и начальных этапов развития. В формировании ооцита большую роль играют генопродукты клеток материнского организма. В некотором смысле это можно сравнить с откармливанием матки в улье группой рабочих пчел.

У человека первичные половые клетки, из которых потом возникают яйцеклетки — гаметы, начинают обособляться у двухмесячного эмбриона. В возрасте 2,5 месяца они вступают в мейоз, но сразу после рождения это деление блокируется. Оно воз — обновляется через 14–15 лет с началом полового созревания, когда яйцеклетки раз в месяц выходят из фолликул. Но в конце второго деления мейоз снова останавлива — ется, и его блокировка снимается только при встрече со спермием. Таким образом, женский мейоз начинается в 2,5 месяца и заканчивается лишь через 20–30 и более лет, сразу после оплодотворения.

Зигота на стадии 2–8 клеток имеет ослабленный геномный иммунитет. При изучении нестабильных инсерционных мутаций в природных популяциях дрозо — филы мы обнаружили, что активация мобильного элемента, сопровождаемая мута — ционным переходом, происходит часто уже в первых делениях зиготы или в первых делениях первичных половых клеток. В итоге одно мутантное событие захватывает сразу клон первичных половых клеток, пул гамет становится мозаичным, и наслед — ственные изменения в потомстве возникают пучками и кластерами, имитируя се — мейное наследование (Golubovsky, Manton, 2005).

Эти эксперименты весьма важны для эпидемиологии, когда возникает вопрос о степени влияния той или иной вирусной эпидемии на генофонд потомства. Начатые еще в начале 1960-х гг. пионерские исследования С. М. Гершензона и Ю. Н. Алек — сандрова привели к выводу, что ДНК — и РНК-содержащие вирусы и их нуклеино — вые кислоты — мощные мутагенные агенты. Попадая в клетку, они провоцируют геномный стресс, активируют систему мобильных элементов хозяина и вызывают нестабильные инсерционные мутации в группе избранных локусов, специфичных для каждого агента.

Теперь представим, что мы хотим оценить влияние на наследственную измен — чивость у человека какой-либо вирусной пандемии (например, гриппа). При этом можно ожидать, что частота разного рода аномалий развития будет повышена в первом поколении у потомства, родившегося в год или спустя год после эпидемии. Оценку же частоты мутационных и вариационных изменений в половых клетках (гаметах) следует проводить во внучатом поколении.

Общий вывод состоит в том, что наследственная изменчивость у внуков может весьма зависеть от условий, в которых происходил оогенез у их бабушек! Представим женщину, которой в 2000 г. было около 25 лет, а матерью она станет в третьем тысяче — летии. Оплодотворенная яйцеклетка, из которой она сама появилась на свет, начала

формироваться в то время, когда ее мать была еще двухмесячным эмбрионом, т. е. где — то в середине 50-х гг. ХХ в. И если в эти годы свирепствовала пандемия гриппа, то ее последствия должны сказаться через поколение. Для оценки последствий глобаль — ной эпидемии на генофонд человечества надо сравнивать внучатое потомство трех групп, или когорт, — тех, у которых бабушки были беременны в год, когда разрази — лась эпидемия, с теми, чьи бабушкс инсерциями (вставками) возникают множественные дефекты

(желтая окраска меха, ожирение, диабет и др.), а поведение становится нестабиль-ным. Ненужная активность вставки в той или иной степени гасится в разных тканях

за счет обратимой модификации или метилирования оснований ДНК. На уровне

фенотипа проявление доминантного аллеля сильно колеблется и носит мозаичный

характер. Австралийские генетики обнаружили, что у отобранных из гомогенной

линии желтых самок в потомстве было больше желтых мышей, а фенотип отца —

носителя мутации — не влияет на изменение окраски у потомства. Самки оказались

более инерционны, и отобранные по фенотипу модификации ДНК, или отпечатки-импринты, лучше сохранялись в оогенезе. Другие генетики нашли и чисто материн-ское влияние, аналогичное обнаруженному в опытах Светлова. В зависимости от

диеты беременных самок выраженность мутации «желтое тело» определенным об-разом менялись в генотипе гетерозигот. Такое измененное состояние нестойко, но

наследовалось в потомстве. Степень проявления признака коррелировала со степе-нью метилирования оснований ДНК во вставке (Jaenish, Bird, 2003).

Эвристически важно сделанное в 1975 г. предложение выделять элементарную единицу эпигенетических наследственных изменений, или эпиген (теория: Чураев,

2005). Эта любая структурно-функциональная наследственная единица — цикли- ческая система, имеющая не менее двух режимов функционирования и способная сохранять каждый из них в ряду клеточных поколений без структурных изменений в ДНК. Понятие эпиген адекватно вошедшим ранее в «явочном порядке» поняти — ям эпиаллели, эпигенотип, эпигетерозигота и эпимутации. Аналогия: понятие «ген» возникло позже понятий «мутация», «гомо — и гетерозигота».

5. Некоторые эволюционно-генетические следствия

Нет видовых геномов, которые состоят из лишь ОК и не проявляют структурно — функциональной факультативности матричных и генетических процессов. Измен — чивость, опосредованная мобильными элементами — важный фактор адаптации и межвидовой эволюции (Евгеньев, 2007). С их помощью клетки, как целостные системы, отвечают на вызов среды. Реорганизация геномов с помощью природной генетической инженерии — термин Дж. Шапиро (Shapiro, 1992) — регулируется клеточными системами с обратными связями. Они переключаются и активно ищут возможное адаптивное решение в ответ на вызов среды при стрессе (генетический поиск). Наследственные изменения, возникающие в ходе взаимодействий в системе

«среда–ФК–ОК», могут носить неменделевский характер — «молекулярное упраж — нение», феномен экспансии повторов, наследование упорядоченных массовых вариаций и эпимутаций, геномный импринтинг (Хесин, 1984; Голубовский, 2000).

Работа иммунной системы построена на непрерывном конструировании новых вариантов молекул иммуноглобулинов на основе действия природных биотехноло — гических систем (ферменты: нуклеазы, лигазы, обратные транскриптазы, полимеразы и т. д.). Эти же системы используют мобильные элементы для создания новых насле — дуемых структур. При этом генетические изменения могут быть массовыми и упо — рядоченными. Реорганизация генома — один из основных биологических процессов. Природные генно-инженерные системы регулируются системами с обратной связью. До поры до времени они пребывают в неактивном состоянии, но в ключевые периоды или во время стресса приводятся в действие (McClintock, 1984; Jaenish, Bird, 2003).

Клеточный информационный процессинг определяет телеономический характер жизнедеятельности клеток, ход их деления, гибели, передвижения, организацию в ткани. Этот же механизм во многом влияет на возникновение и формы наслед — ственных изменений. Термин «телеономичность» был использован уже в 1961 г. в классической статье Ф. Жакоба и Ж. Моно, где были сформулирована концепция генной регуляции. Принцип телеономичности за прошедшие 50 лет детализирован и расширен. Одно из самых важных открытий в области биологии клетки состоит в том, что клетка непрерывно собирает и анализирует информацию о своем вну — треннем состоянии и внешней среде, принимая решение о росте, движении и диф- ференциации (McClintock, 1984; Jaenish, Bird, 2003).

Особенно показательны, как отмечено выше, механизмы контроля клеточного деления, лежащие в основе роста и развития. Процесс митоза универсален у выс — ших организмов и включает три последовательных этапа: подготовка к делению, репликация хромосом и завершение деления клетки. Анализ генного контроля этих фаз привел к открытию особых контрольных точек, в которых клетка проверяет,

произошла ли репарация нарушений в структуре ДНК на предыдущем этапе или нет. Если ошибки не будут исправлены, последующий этап не начнется. Когда же ликвидировать повреждения нельзя, запускается генетически запрограммирован — ная система клеточной смерти, или апоптоза.

В условиях вызова среды клетка действует целенаправленно, подобно компью — теру, когда при его запуске шаг за шагом проверяется нормальная работа основ — ных программ, и в случае неисправности работа компьютера останавливается. По — скольку клетка, с помощью свой наследственной системы, способна осуществлять генетический поиск, становится видна правота нетрадиционного французского зоолога-эволюциониста Поля Грассэ: «Жить — значит реагировать, а отнюдь не быть жертвой» (см. обсуждение: Чайковский, 2006).

В природе непрерывно происходит межвидовая миграция чужеродных ДНК и РНК носителей (прежде всего вирусов), которые могут относительно устойчиво ассоциироваться и закрепляться в геноме, переходя в ранг ФК. Ассоциированные в ядре или цитоплазме цитобионты, передаваемые в ряду клеточных поколений, тоже можно относить к ФК (РНК-содержащий вирус сигма у дрозофил, бактерии Wolbachia, у насекомых и ракообразных). Понятие горизонтальный перенос следует расширить вплоть до случаев устойчивых ассоциаций геномов (симбиоз).

Литература

Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. СПб. : Борей-Арт, 2000. 262 с.

Голубовский М. Д. Становление генетики и парламент идей в критике Любищева : послесло — вие к работе Любищева «О природе наследственных факторов // Любищевские чтения. Т. 1. Ульяновск : Изд-во Ульян. гос. ун-та, 2004. С. 177–211.

Евгеньев М. Б. Мобильные элементы и эволюция // Молекулярная биология. 2007. Т. 41.

С. 1–12.

Инге-Вечтомов С. Г. Прионы дрожжей и центральная догма молекулярной биологии // Вест — ник РАН. 2000. Т. 70. Вып. 4. С. 299–306.

Инге-Вечтомов С. Г. Изменчивость, матричный принцип и теория эволюции // Чарльз Дар — вин и современная наука : сб. тез. междунар. конф. СПб. : СПбНЦ РАН ; СПбФ ИИЕТ РАН. 2009. С. 51–53.

Иогансен В. Элементы точного учения об изменчивости и наследственности. М. : Сельхозгиз,

1933. 368 с.

Корочкин Л. И. Введение в генетику развития. М. : Наука, 1999. 253 с.

Любищев А. А. О природе наследственных факторов (Критическое исследование) // Изве — стия Биологического НИИ при Пермском университете. 1925. Т. 4. Прил. 1. 142 с.

Сапиенца К. Генетический импринтинг // В мире науки. 1990. № 12. С. 14–20.

Светлов П. Г., Корсакова Г. Ф. Зависимость фенотипа микрофтальмической мутации у мы — шей от внешних воздействий на гаметы самок двух предшествующих поколений // Ге — нетика. 1966. № 5. С. 66–81.

Тиходеев О. Н., Гетманова Е. В., Тихомирова B. Л., Инге-Вечтомов С. Г. Неоднозначность транс — ляции у дрожжей: генетический контроль и модификации // Молекулярные механизмы генетических процессов. M. : Наука, 1990. С. 218–228.

Хесин Р. Б. Непостоянство генома. М. : Наука, 1984. 472 с.

Чайковский Ю. В. Наука о развитии жизни. Опыт теории эволюции. М. : Тов-во научных из — даний КМК, 2006. 712 c.

Чураев Р. Н. Контуры неканонической теории наследственности: от генов к эпигенам // Жур — нал общей биологии. 2005. № 2. С. 99–102.

Golubovsky M., Manton K. A three generation approach in biodemography is based on the developmental profile and the epigenetcs of female gametes // Frontiers in Bioscience, 2005. Vol. 10. P. 187–191.

Jaenish R., Bird A. Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals // Nature Genetics. 2003. Vol. 33. P. 245–254.

Landman O. Е. Inheritance of acquired characteristics // Annual Review of Genetics. 1991. Vol. 25.

P. 1–20.

McClintock B. The significance of responses of the genome to challenge // Science. 1984. Vol. 226.

P. 792–801.

Shapiro J. Natural genetic engineering in evolution // Genetica. 1992. Vol. 86. P. 99–111

The concept of the gene in development and evolution. Historical and epistemological perspectives /

ed. by P. J. Beurton, R. Falk, H.-J. Rheinberger. Cambridge : Cambridge Univ. Press, 2000.

XVI, 384 p.

Facultativeness Principle, Generalized Genome Concept and Hereditary Changes

M. D. Golubovsky

St. Petersbirg Branch of the Institute of Science for History and Technology, Russian Academy of Sciences

St. Petersbirg, Russia;

Berkeley University, Berkeley, California, USA:

mdgolub@yahoo. com

Facultativeness principle in the genome structure and function reflects the general prin — ciple of the life system organization and biological evolution: the unity of the whole and the freedom of parts. On the genome level a structural facultativeness consists of subdi — vision of DNA and RNA elements on two subsystems: obligatory elements (genes and their complexes) and many families of facultative elements including high and moderate repeats, diverse families of mobiles elements, integrated viral and foreign DNA, amplicons and plasmids and even diverse nuclear and cytoplasmic cytobionts. Their number and intracell topography varies from cell to cell, in different tissues and in different individuals from natural populations. Functional facultativeness is based on facultativeness of three template processes — Replication, Transcription and Translation and three basic genetic processes: Repair, Recombination and Segregation. The Generalized Genome Concepts includes a genome description as an ensemble of both obligatory and facultative elements, functional facultativeness and an existence of both structural and dynamical inheritance, including variations or changes of diverse facultative elements and dynamical or epige- netic changes. A process of occurrence of hereditary changes in nature usually consists of two stages: a) weak environmental factors activate the mobility of various facultative elements (such changes are named as variations); b) variations, in turn, induce changes in mendelian genes (point mutations or chromosomal rearrangements), or epigenetic changes. Both variations and epigenetic changes may occur simultaneously in many individuals reminding phenomenon of inheritance of acquire characteristics.

Keywords: genome, hereditary changes, mutation, variation, epigenetics, evolution.

Материал взят из: Чарльз Дарвин и современная биология. Труды Международной научной конференции (21–23 сентября 2009 г., Санкт — Петербург)