Олег
я могу мыслить широко
фирма веников не вяжет, я если и вяжет, то только фирменные
Олег Тиходеев
Все записи
текст

Около гена

"ММ" №2/113 2015, с. 70
Вы любите интеллектуальные триллеры? Вам нравятся острые сюжеты с интригующей завязкой, хитроумными головоломками и неожиданными поворотами? Такие сюжеты встречаются не только в кино и литературе: их полным-полно и в истории науки. Например, в истории развития представлений о наследственности. Здесь впору говорить о череде научных революций, одна из которых происходит прямо сейчас. 

Чтобы коллизия стала понятной, начнем «от печки». Этой «печкой» служила теория Чарльза Дарвина, сформулированная еще в середине XIX века, когда биология находилась, по сути, в младенческом состоянии. О генетике тогда не было и речи, а представления о наследственности оставались примитивными. Дарвинисты считали, что в основе эволюционного процесса лежат мельчайшие, внешне незаметные наследуемые изменения, накапливающиеся в ходе естественного отбора. В связи с этим казалось, что искать элементарные наследственные задатки бессмысленно (их множество, и каждый из них слишком слаб). Говоря о наследовании конкретного признака, все внимание уделяли статистическим показателям: размаху его варьирования у предков и потомков, корреляции с другими признаками и т. д. Более того, дарвинисты были уверены, что признаки родителей «смешиваются» и усредняются в потомках (в качестве примера обычно ссылались на браки между белыми и темнокожими людьми, в которых рождаются мулаты). 
Генетика, возникшая в начале XX века, в корне противоречила этой точке зрения. При изучении разных видов, от микробов до человека, были обнаружены элементарные наследственные задатки, четко отличимые по своим проявлениям и сохраняющие свою «чистоту» в гибридных потомках. Так, оказалось, что у каждого мулата сохраняются задатки и белокожести, и темнокожести, которые могут проявиться в последующих поколениях. 


Впервые элементарные наследственные задатки были описаны еще в 1865 году Грегором Менделем в его работе по скрещиванию разных форм гороха, но современники не поняли значения этого открытия – оно оказалось слишком революционным. И лишь по прошествии трех десятилетий законы Менделя получили научное признание. В итоге пришлось корректировать теорию Дарвина – а ведь она была для биологов «святая святых», и потому процесс шел медленно и крайне болезненно. Генетики считали, что дарвинизм нужно «выкинуть на свалку», а дарвинисты отвечали, что генетические законы выполняются только в лабораторных условиях и не имеют никакого отношения к природным явлениям. Эта непримиримая борьба закончилась лишь к середине 1930-х годов с возникновением новой – синтетической – теории эволюции, признавшей неточности в исходной концепции Дарвина. 

Доказав существование элементарных наследственных задатков, генетика встала перед очень серьезным вопросом: являются ли эти задатки материальными или имеют какую-то совсем иную природу? Многие биологи считали, что наследственные свойства организма обусловлены не молекулами, а чем-то «более возвышенным», нематериальным. Но в дальнейшем от этой идеи пришлось отказаться. Первый шаг был сделан еще в 20-е годы. Многочисленные факты убедительно говорили о том, что наследственные задатки находятся где-то в хромосомах. В результате возникла хромосомная теория наследственности. 
В то время уже было известно, что в состав хромосом входят два типа молекул – белки и ДНК. И те, и другие имеют полимерное строение, но степень их разнообразия неодинакова: белки состоят из двадцати вариантов аминокислот, а ДНК – всего из четырех вариантов нуклеотидов. Подавляющее большинство генетиков считало, что носителями наследственных задатков являются белки, а молекулы ДНК устроены слишком примитивно и играют сугубо вспомогательную роль (например, служат механическими каркасами хромосом). 

Каково же было удивление генетического сообщества, когда в 1944 году появились первые экспериментальные свидетельства того, что наследственные задатки обусловлены молекулами ДНК. Поначалу этим фактам просто не поверили. Однако через 8 лет были получены данные, отмахнуться от которых уже не удалось. Изучая закономерности размножения вирусных частиц, состоящих только из ДНК и белковой оболочки, Марта Чейз и Альфред Херши убедительно показали, что «дочерним» частицам передается именно ДНК. Уже через год Джеймс Уотсон и Френсис Крик расшифровали структуру ее молекул. Открытие имело огромный резонанс. Дело в том, что еще в 1928 году для объяснения механизмов удвоения наследственных молекул была предложена идея матричного синтеза: «дочерняя» молекула строится по образу «материнской», повторяя последовательность ее мономеров (автор идеи – Николай Константинович Кольцов). Как показал анализ химической структуры ДНК, она способна удваиваться именно по матричному принципу! Идея Кольцова нашла подтверждение, но не в белках, как думали раньше, а в ДНК. Стало ясно, что это и есть наследственные молекулы. 

У всех живых существ ДНК выполняет одни и те же функции: несет генетическую информацию, на основе которой формируются признаки организма, и обеспечивает их наследование в ряду поколений, удваиваясь по матричному принципу. В результате сложилось стойкое убеждение в том, что любые наследственные задатки должны быть представлены только в виде молекул ДНК. По сути, возникла ДНКовая теория наследственности. Еще недавно ее считали безоговорочной аксиомой. Она утверждала, что если у некоего организма «прочитать» всю последовательность нуклеотидов в его ДНК, мы получим о нем исчерпывающе подробную информацию. Началась эпоха массового «чтения ДНК», но она привела к совершенно неожиданным результатам. 


Были обнаружены примеры наследуемых различий без изменений в нуклеотидных последовательностях ДНК. Подобных странных фактов становилось все больше, и в итоге оформилось новое научное направление, одно из самых «горячих» в современной биологии. Оно получило название «эпигенетика» (то есть нечто рядом с генетикой, около генетики). Оказалось, что механизмы эпигенетического наследования характерны для многих объектов и очень разнообразны. Остановимся всего лишь на нескольких ярких примерах. 
У растений и большинства других живых существ молекулы ДНК после своего удвоения подвергаются метилированию (присоединению групп –CH3). Задача этого процесса –помочь в выявлении возможных ошибок. Молекула ДНК состоит из двух цепей, при удвоении они отходят друг от друга, и на каждой из них синтезируется новая цепь. Соответственно, в любой молекуле ДНК одна цепь «старая», другая – «молодая». И если в ходе удвоения возникла ошибка (абсолютно точных процессов не существует), она затронет структуру именно молодой цепи. Чтобы клетка могла обнаружить и исправить ошибку, эта цепь должна хорошо отличаться от старой. Данная задача и решается с помощью метилирования. Эта «процедура» достаточно медленная: когда старая цепь уже метилирована, молодая находится в самом начале процесса и оказывается химически помеченной. Таким образом, если в ДНК возникла ошибка, исправления вносятся в недометилированную цепь. 

Чем больше времени проходит с удвоения ДНК, тем труднее отличить молодую цепь от старой: и та, и другая становятся одинаково метилированными. Этот процесс тоже идет по матричному принципу. Соответственно, если старая цепь неметилирована – например, ее синтез проходил в условиях, где не работали нужные ферменты, – молодая цепь в итоге останется такой же, даже если ферменты работают нормально. Таким образом, совместив в одном и том же организме две абсолютно идентичные молекулы ДНК, одна из которых метилирована, а другая – нет, можно получить наследование этих состояний. Подобного рода ситуации описаны у растений, причем различия стабильно наследуются десятками поколений. 
В приведенном примере реплицируется степень метилирования. С точки зрения «обычной генетики» это странно (нет различий в нуклеотидных последовательностях, а ведь именно они считались наследственными задатками), но все-таки речь идет о молекулах ДНК, и потому ситуация более или менее терпимая. Однако это только самая вершина айсберга. 

У всех растений, животных и грибов хромосомная ДНК окружена специальными белками, обеспечивающими ее защиту и правильную упаковку. Такие белки получили название «гистоны». Известны различные химические модификации гистонов, приводящие к резкому изменению активности генов: при одних модификациях гены «замолкают», а при других, напротив, работают слишком активно. Ярчайший пример – история с заядлыми курильщиками. Никотин вызывает у человека приятные ощущения, воздействуя на определенные рецепторы в нервной системе. Эти рецепторы «привыкают» быть активированы никотином и постепенно «требуют» все большего воздействия. Но самое главное происходит на уровне гистонов. В результате их локальной химической модификации в тысячи раз возрастает активность генов, кодирующих именно рецепторы данного типа. Соответственно, нервная система «жаждет» никотина и очень тяжело переносит его отсутствие. 
Здесь необходимо отметить следующую деталь. Клетки легких весьма недолговечны и быстро обновляются. При этом, если человек – заядлый курильщик, возникшие в нем изменения становятся стабильными и наследуются десятилетиями в новых поколениях клеток даже после того, как он полностью бросит курить. Таким образом, курильщик, бросивший десять лет назад, по степени готовности организма к приему никотина ничем не отличается от продолжающего курить человека. И стоит хотя бы чуть-чуть попробовать снова (даже постоять в компании курящих людей), старая зависимость может вернуться. Поэтому и говорят, что бывших курильщиков не бывает. 

Сегодня известны десятки примеров подобного наследования. У некоторых растений при длительном действии холода происходит локальная химическая модификация гистонов, приводящая к более ранним срокам цветения. Этот эффект (его называют вернализацией) стабильно наследуется при вегетативном размножении и может сохраняться в десятках поколений, но не передается потомкам через семена. То есть одно и то же молекулярное изменение в некоторых случаях наследуется, а в некоторых – нет. 


У человека, как и у многих других млекопитающих, на ранних этапах развития женского организма инактивируется одна из двух X-хромосом. Главные события происходят на стадии бластоцисты, когда зародыш представлен несколькими сотнями клеток. В каждой из них принимается случайное «решение», какая X-хромосома (материнская или отцовская) будет инактивирована, и этот выбор сохраняется в последующих клеточных делениях. В результате женский организм, по сути, мозаичен: в некоторых клетках активна только материнская, а в некоторых – только отцовская X-хромосома. Но в яйцеклетках эта инактивация снимается, и потомкам передаются обычные X-хромосомы. 

В приведенных примерах наследуются изменения гистонов, а структура молекул ДНК вообще не меняется. Но события хотя бы происходят рядом с ДНК – на уровне функциональной организации хромосом. А вот совсем уж «несусветная» история случилась с дрожжами: у них экспериментально доказана белковая наследственность! Разумеется, подавляющее большинство наследуемых признаков обусловлено у этого микроба молекулами ДНК, но вместе с тем известны и белковые наследственные задатки. Причем механизмы их наследования крайне разнообразны (это тема для отдельного и очень серьезного разговора). 

Итак, с помощью эпигенетических механизмов клетка способна «запомнить» определенное воздействие и передать эту память в ряду поколений. Разумеется, речь не идет о запоминании всего: «воспоминания» клеток о том, что человек ел вчера на завтрак или чем питалась его бабушка во время беременности, – это не более чем досужие мифы. Однако у нас на глазах вершится революция – уже далеко не первая в представлениях о наследственности. 
Выясняется, что нет специальных наследственных молекул: эту функцию могут выполнять различные структуры. Более того, в зависимости от конкретных условий одно и то же молекулярное изменение может либо наследоваться, либо не наследоваться. Скажи это 20 лет назад – подвергли бы анафеме! Теперь же на смену ДНКовой теории наследственности приходит новая, еще до конца не сформулированная. Она слагается из «обычной генетики» и эпигенетики. В отличие от метафизики и парапсихологии, это слово не относится к ругательным: оно прочно вошло в современный научный лексикон и с каждым годом приобретает все новые и новые грани. Как говорится в приключенческих романах, продолжение следует. И каким оно будет, пока не знает никто. 


Читать эту статью в онлайн версии журнала "ММ": http://www.21mm.ru/#069 
Всего 0 комментариев
Комментарии
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика