Доклад: Неканонические наследственные изменения

Клеточный информационный процессинг. Возможно, одно из самых важных открытий в области биологии клетки состоит в том, что клетка непрерывно собирает и анализирует информацию о своем внутреннем состоянии и внешней среде, принимая решение о росте, движении и дифференциации. Особенно показательны механизмы контроля клеточного деления, лежащие в основе роста и развития. Процесс митоза универсален у высших организмов и включает три последовательных этапа: подготовка к делению, репликация хромосом и завершение деления клетки. Анализ генного контроля этих фаз привел к открытию особых 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 запрограммированная система клеточной смерти, или апоптоза.

В условиях вызова среды клетка действует целенаправленно, подобно компьютеру, когда при его запуске шаг за шагом проверяется нормальная работа основных программ, и в случае неисправности работа компьютера останавливается. В целом становится очевидной, уже на уровне клетки, правота нетрадиционного французского зоолога-эволюциониста Поля Грассэ: “Жить — значит реагировать, а отнюдь не быть жертвой”.

Пути возникновения естественных наследственных изменений в системе среда—факультативные элементы—облигатные элементы. Факультативные элементы первыми воспринимают немутагенные факторы среды, а возникающие затем вариации вызывают мутации. На поведение факультативных элементов влияют и облигатные элементы.

Неканонические наследственные изменения, возникающие под влиянием отбора к цитостатикам и приводящие к амплификации генов.

Приобретенные признаки наследуются

“История биологии не знает более выразительного примера многовекового обсуждения проблемы, чем дискуссия о наследовании или о ненаследовании приобретенных признаков”, - эти слова стоят в начале книги известного цитолога и историка биологии Л.Я.Бляхера [12]. В истории, пожалуй, можно вспомнить аналогичную ситуацию с попытками 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 и анализ их эволюции - дело обычное. Кто же оказался прав в многовековом споре? Можно сказать, что на уровне химических молекулярных взаимодействий не происходит превращения элементов, а на ядерном уровне оно - правило.

Напрашивается сходная аналогия и с вопросом о наследовании признаков, которые появились в ходе онтогенеза. Если вновь возникающие наследственные изменения сводить лишь к мутациям генов и хромосом, тогда вопрос можно считать закрытым. Но если исходить из обобщенной концепции генома, включая представление о динамической наследственности [2, 3], проблема нуждается в пересмотре. Помимо мутационной существует вариационная и эпигенетическая формы наследственной изменчивости, связанные не с изменениями в тексте ДНК, а в состоянии гена. Такие эффекты обратимы и наследуемы.

Интересно, что вышедший в конце 1991 г. Международный ежегодник по генетике открывается статьей О.Ландмана “Наследование приобретенных признаков” [13]. Автор суммирует уже давно полученные в генетике факты, показывая, что “наследование приобретенных признаков вполне совместимо с современной концепцией молекулярной генетики”. Ландман детально рассматривает около десяти экспериментальных систем, в которых установлено наследование приобретенных признаков. Четыре разных механизма способны привести к нему: изменение структур клеточной оболочки, или кортекса, изученное Т. Соннеборном у инфузорий; ДНК-модификации, т.е. клонально передаваемые изменения в характере локального метилирования ДНК (сюда входит феномен импринтинга); эпигенетические изменения без каких-либо модификаций ДНК; индуцированная утрата либо приобретение факультативных элементов.

Статья Ландмана делает нас как бы свидетелями критического периода смены постулата в генетике, казавшегося неколебимым как скала. Автор спокойно, без ажиотажа и новых сногсшибательных фактов, объединяет старые и новые данные в систему, дает им ясное современное истолкование. Можно сформулировать общий принцип: наследование приобретенных признаков возможно в тех случаях, когда некий фенотипический признак зависит от числа или топографии факультативных элементов.

Приведу два поучительных примера на дрозофиле: первый связан с поведением вируса сигма, второй - мобильных элементов, ответственных за гибридную стерильность самок и сверхмутабильность.

Изучение взаимодействия вируса сигма с геномом дрозофилы началось более 60 лет назад. Сначала в 1937 г. французский генетик Ф.Леритье обнаружил резкие наследственные отличия у разных линий мух по степени чувствительности к углекислому газу (СО2). Признак наследовался причудливым образом: через цитоплазму, но не только по материнской линии, а иногда и через самцов. Чувствительность можно было передать и путем инъекции гемолимфы, причем разным видам дрозофил. В этих случаях признак передавался не стабильно, но в результате отбора наследование становилось устойчивым.

Неменделевское наследование признака у дрозофилы, который зависит от популяции факультативных элементов генома. Признак чувствительности к СО2 вызван присутствием в цитоплазме мухи рабдовируса сигма. В результате температурного шока на ранней стадии развития дрозофилы блокируется размножение вируса, и выросшие особи приобретают устойчивость к нему.

Чувствительность к СО2 оказалась связана с устойчивым размножением в половых и соматических клетках РНК-содержащего пулевидного рабдовируса сигма, сходного по ряду свойств с вирусом бешенства у млекопитающих. Оогонии (клетки, из которых в ходе мейоза и созревания образуются яйцеклетки) у самок стабилизированной линии обычно содержат 10-40 вирусных частиц, а ооциты (зрелые яйцеклетки) - 1-10 млн. Вирус сигма - типичный факультативный элемент. Мутации в его геноме приводят к сложным формам поведения системы. Найдены случаи вирусоносительства, при которых дрозофилы остаются устойчивы к СО2, но вместе с тем иммунны к заражению другими штаммами вируса. Ситуация вполне сравнима с поведением системы фаг-бактерия, что сразу заметили Ф.Жакоб и Э.Вольман.

Взаимоотношения генома дрозофилы и размножающегося в ее цитоплазме вируса подчиняются правилам внутриклеточной генетики. Воздействия в ходе онтогенеза могут вызвать сдвиг в числе и межклеточной топографии частиц и как результат - изменить степень чувствительности к углекислому газу. Так, повышенная температура блокирует репликацию вирусных частиц. Если самок и самцов в период гаметогенеза содержать несколько дней при температуре 30°С, потомство от таких мух будет свободно от вируса и устойчиво к СО2. Значит, приобретенный в ходе индивидуального развития признак наследуется в ряду поколений.

Ситуация с вирусом сигма не единична. Французские генетики изучали факторы стерильности самок, связанные с поведением мобильных элементов типа “I”. Наследование этого признака определяется сложными ядерно-цитоплазматическими взаимодействиями. Если в отцовских хромосомах локализованы активные I-элементы, то на фоне R-цитоплазмы они начинают активироваться, претерпевают множественные транспозиции и в результате вызывают резкие нарушения онтогенеза в потомстве самок с чувствительной цитоплазмой. Такие самки откладывают яйца, но часть эмбрионов гибнет на ранней стадии дробления - еще до образования бластомеры. Линии, выделенные из природных популяций, отличаются по силе действия I-факторов и степени реактивности (или чувствительности) цитоплазмы. 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 плодовитости их потомства. Вызванные условиями среды изменения реактивности цитоплазмы поддерживаются на протяжении многих клеточных поколений. “Самое замечательное, что эти изменения реактивности цитоплазмы под влиянием негенетических факторов наследуются: наблюдается наследование “благоприобретенных” признаков”, - отмечал Р.Б.Хесин [5].

Наследование через цитоплазму: от бабушек до внуков

В теории развития и феногенетике ХХ в. важное место занимают глубокие и совершенно оригинальные исследования эмбриолога П.Г.Светлова (1892-1972). Остановимся на разработанной им теории квантованности онтогенеза (наличии критических периодов в развитии, когда происходит детерминация морфогенетических процессов и одновременно повышается чувствительность клеток к повреждающим агентам) и на развитой в связи с этим идее, что изучение онтогенеза надо вести не с момента оплодотворения и образования зиготы, а еще с гаметогенеза, включающего оогенез у самок предшествующего поколения - проэмбрионального периода.

На основании этих постулатов Светлов провел в 60-е годы простые и ясные опыты на дрозофиле и мышах. Он убедительно показал, что возможно стойкое неменделевское наследование свойств цитоплазмы, а модификации в выраженности мутантных признаков, возникшие после кратковременного внешнего воздействия в критический период развития организма, тоже передаются в ряду поколений [14].

В одной из серий опытов он сравнивал степень проявления мутантного признака в потомстве двух линий мышей, гетерозиготных по рецессивной мутации микрофтальмии (уменьшенный размер сетчатки и глаз с момента рождения): нормальных по фенотипу гетерозигот, у которых мутантными были матери, и тех, у которых мутантны отцы. Потомство от мутантной бабушки отличалось более сильным проявлением 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. Работы эти, увы, остались недооцененными.

Интересно, что еще в конце 80-х годов импринтинг, как остроумно заметил К.Сапиенца, исследователь этого феномена, было “принято считать генетическим курьезом, затрагивающим лишь очень немногие признаки. Меня неоднократно спрашивали, почему я попросту трачу свое время на столь незначительное явление” [15]. Большинство исследователей безоговорочно принимали одно из главных положений Менделя - “зачаток”, или ген, не может менять свои потенции в зависимости от пола, на чем основано повсеместно наблюдаемое расщепление 3:1. Но Сапиенца совершенно справедливо заметил, что при анализе менделевского расщепления обычно рассматривают только наличие или отсутствие признака, а если он количественный, то границу есть-нет устанавливают по принятому порогу. Если же выявить, какова степень проявления признака, обнаружится влияние геномного импринтинга.

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 изменений - 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 мутантного гена. Недаром эти работы Хесин в своей сводке назвал замечательными [16].

Кратковременное (20 мин) прогревание тела восьмидневного мышонка самки вызывало стойкие изменения ооцитов, ослаблявшие действие вредной мутации у внуков! “Передача улучшения развития глаз, наблюдаемая в опытах с нагреванием, может быть объяснена только передачей свойств, приобретенных ооцитами нагретых самок по наследству” [16]. 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 развития у человека он обосновал необходимость изучения критических периодов гаметогенеза, в которых повышена чувствительность к повреждениям. Возможно, в патогенезе аномалий развития у человека этап формирования гамет даже более важен, чем эмбриогенез.

Схема опытов П.Г.Светлова, демонстрирующих передачу в ряду поколений мышей мутации - микрофтальмии. Однократное 20-минутное действие повышенной температуры на мутантных восьмидневных мышат влечет улучшение развития глаз у их потомков (F1 и F2). Этот признак наследуется только по материнской линии и связан с изменением в ооцитах.

Сегодня этот вывод подтвержден молекулярно-генетическими исследованиями последнего десятилетия [17]. У дрозофилы установлены три системы материнских генов, которые формируют осевую и полярную гетерогенность цитоплазмы и градиенты распределения биологически активных генных продуктов. Задолго до начала оплодотворения происходит молекулярная детерминация (предопределение) 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 возобновляется через 14-15 лет с началом полового созревания, когда яйцеклетки раз в месяц выходят из фолликул. Но в конце второго деления мейоз снова останавливается 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 двух-восьми клеток имеет ослабленный геномный иммунитет. При изучении нестабильных инсерционных мутаций в природных популяциях дрозофилы мы обнаружили, что активация мобильного элемента, сопровождаемая мутационным 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 наследственные изменения в потомстве возникают пучками или кластерами, имитируя семейное наследование.

Эти эксперименты весьма важны для эпидемиологии, когда возникает вопрос о степени влияния той или иной вирусной эпидемии на генофонд потомства. Начатые еще в начале 60-х годов пионерные исследования С.М.Гершензона и Ю.Н.Александрова привели к выводу, что ДНК- и РНК-содержащие вирусы и их нуклеиновые 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 изменчивость 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.

Схема оогенеза в трех последовательных женских поколениях. P - бабушка, F1 - мама, F2 - дочь.

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 тысячелетии. 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 годов ХХ в. И если в эти годы свирепствовал грипп, то его последствия должны сказаться через поколение. Для оценки последствий глобальной эпидемии на генофонд человечества надо сравнивать внучатое потомство трех групп, или когорт, - тех, у которых бабушки были беременны в год, когда разразилась эпидемия, с теми, чьи бабушки забеременели до и после пандемии (это две контрольные когорты). К сожалению, такие важные для охраны здоровья эпидемиолого-генетические сведения пока отсутствуют.

О призраках и борьбе с чудовищами

Прошло 30 лет после опытов Светлова, несложных по технике, но оригинальных по замыслу и глубоких по своим выводам. В середине 90-х годов произошел психологический перелом: резко возросло число работ в области наследственной изменчивости, в названии которых стоит слово “эпигенетический”.

Разного рода эпимутации (наследственные вариации в характере генной активности, не связанные с изменениями в тексте ДНК и носящие массовый, направленный и обратимый характер) перешли из разряда маргинальных в активно изучаемое явление. Стало очевидно, что живые системы обладают оперативной “памятью”, которая находится в непрерывном контакте со средой и использует средства природной эмбриогенетической инженерии для быстрого наследуемого перехода из одного режима функционирования в другой. Живые системы не пассивные жертвы естественного отбора, а все эволюционные формы жизни вовсе не “помарка за короткий выморочный день”, как писал Мандельштам в своем известном шедевре “Ламарк”.

Оказалось, что эпимутации сплошь и рядом можно обнаружить у обычных “классических генов”, надо только подобрать пригодную экспериментальную систему. Еще в 1906 г., за пять лет до того как Морган стал работать с дрозофилой, французский биолог-эволюционист Л.Кэно открыл у мышей менделевскую мутацию “желтое тело”. Она обладала удивительной особенностью - доминантностью по отношению к нормальной окраске (серо-коричневой) и летальностью в гомозиготе. При скрещивании гетерозиготных желтых по цвету мышей друг с другом из-за гибели гомозигот нормальные мыши появлялись в потомстве в соотношении не 3:1, а 2:1. Впоследствии оказалось, что так ведут себя многие доминантные мутации у разных организмов.

Выяснилось, что в области транскрипции одного из аллелей гена “желтое тело” внедрен мобильный элемент, напоминающий по структуре и свойствам ретровирус. В результате такой вставки ген стал подчиняться знакам пунктуации своего незваного гостя и непредсказуемо активироваться “в ненужное время и в ненужном месте”. У мутантов с инсерциями (вставками) возникают множественные дефекты (желтая окраска меха, ожирение, диабет и др.), а поведение становится нестабильным. 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 они, отобранные по фенотипу модификации ДНК, или отпечатки-импринты лучше сохранялись в оогенезе. Другие генетики нашли и чисто материнское влияние, аналогичное обнаруженному в опытах Светлова. В зависимости от диеты беременных самок выраженность мутации “желтое тело” определенным образом менялись в генотипе гетерозигот. Такое измененное состояние нестойко, но наследовалось в потомстве. Степень проявления признака коррелировала со степенью метилирования оснований ДНК во вставке.

Касаясь этих и других подобных опытов, научный обозреватель журнала “Sсience” назвал свою заметку “Был ли все же Ламарк немного прав?” Такая тактичность понятна. Во-первых, осторожность оправдана, когда приходится ревизовать то, что десятилетиями считалось прочно установленным. Во-вторых, наследование приобретенных признаков связывается не только с именем Ламарка, но и с призраком Лысенко (о последнем упоминает автор заметки). Действительно, вольно или невольно тень “мичуринской биологии” всплывает, когда обсуждается проблема наследования приобретенных признаков. И не только в России, где еще так жива память о трагедии в биологии, связанной с господством Лысенко.

Сегодня многие общепринятые положения классической генетики, которые отвергал Лысенко, стали невольно, в пику ему, считаться почти абсолютной истиной. И тем не менее, если тот или иной серьезный исследователь обнаруживал что-либо внешне созвучное взглядам Лысенко, он опасался это обнародовать, боясь остракизма со стороны научного сообщества. И даже если работа публиковалась, она сопровождалась многими оговорками и оставалась на периферии науки.

Познакомившись в 60-е годы со статьями А.А.Любищева (самого близкого друга Светлова), я пытался понять, почему он, будучи одним из самых активных самиздатных критиков лысенкоизма с 1953 по 1965 г. - его статьи и письма были собраны в книге “В защиту науки” (Л., 1990), - тем не менее не считал вопрос о наследовании приобретенных признаков окончательно решенным. Этот всеми признанный знаток эволюционной биологии указывал на незавершенность теории наследственности, на сходство наследственной и модификационной изменчивостей. Теперь мы знаем, как трудно бывает во многих случаях провести между ними границу. Любищев приводил факты массовых, быстрых и упорядоченных преобразований фенотипа в эволюции, явно необъяснимых с позиций моргановских мутаций и дарвиновского отбора. Возвысив свой голос против монополии Лысенко, Любищев выступал в защиту науки как таковой, против утвердившегося в ней аракчеевского режима. В сфере же самой науки он следовал древнему принципу: “Платон мне друг, но истина дороже”. И поэтому не скрывал своих несогласий со многими генетиками и дарвинистами. Да, Любищев оказался прав, древо жизни куда сложнее самонадеянных рассуждений.

Литература

1. Баранов В.С. и др. Геном человека и гены предрасположенности. СПб., 2000.

2. Голубовский М.Д., Чураев Р.Н. Динамическая наследственность // Природа. 1997. №4. С.16—25.

3. Чураев Р.Н. Об одной неканоническкой теории наследственности // Совр. концепции эволюц. генетики. Новосибирск, 2000. С.22—32.

4. Инге-Вечтомов С.Г. Прионы дрожжей и центральная догма молекулярной биологии // Вестн. РАН. 2000. 70(4). С.299—306.

5. Chernov Yu.O. // Mutation Res. 2001. V.488. P.39—64.

6. Хесин Р.Б. Непостоянство геномов. М., 1984.

7. Голубовский М.Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. СПб., 2001.

8. Голубовский М.Д. // Успехи соврем. биологии. 1985. Т.100. Вып.6. С.323—339.

9. McClintock B. // Science. 1984. V.226. P.792—801.

10. Cairns J. // Nature. 1988. V.27. P.1—6.

11. Hall D. // Genetics. 1990. V.126. P.5—16

12. Shapiro J. // Science. 1995. V.268. P.373—374.

12. Бляхер Л. Я. Проблема наследования приобретенных признаков. М., 1971.

13. Landman O. // Ann. Rev.Genet. 1991. V.25. P.1-20.

14. Соколова К.Б. Развитие феногенетики в первой половине ХХ века. М., 1998.

15. Сапиенца К. // В мире науки. 1990. ?12. С.14-20.

16. Светлов П. Г. // Генетика. 1966. ?5. С.66-82.

17. Корочкин Л. И. Введение в генетику развития. М., 1999.