загрузка...

Парадигма современной генетики

  • 16.06.2010 / Просмотров: 6333
    //Тэги: генетика   Гордон  

    Так все-таки: наследуются ли приобретенные индивидуумом признаки? Остаются ли незыблемыми основные положения, сформулированные в классической генетике, или современная генетика уже давно теснит классическую? О том, что такое биология развития и как она соотносится с генетикой - член корреспондент РАН Леонид Корочкин.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Леонид Корочкин. …чтобы поговорить немножко о
современной генетике. Об этой науке достаточно мно-
го говорят, и пишут тоже, наверное, достаточно много.
Но, к сожалению, авторы передач и заметок допускают
досадные неточности в освещении той ситуации, кото-
рая сложилась в генетике. И мне бы хотелось внести
ясность в эту проблему, особенно в связи с тем, что
все-таки генетика как-никак является – и с моей точки
зрения, и с точки зрения многих других ученых – клю-
чевым, основным разделом биологии.
Часто пытаются противопоставить современную ге-
нетику и классическую генетику, и утверждают, что со-
временная генетика накопила такой огромный факти-
ческий материал, который, в общем, ниспровергает
основные положения классической генетики, ниспро-
вергает систему взглядов, или, как сейчас модно го-
ворить, парадигму современной генетики, и что требу-
ется срочная замена этой парадигмы на новую, соот-
ветствующую современной генетике. На самом деле
это не так, достижения современной генетики действи-
тельно огромны, но ни одно достижение не противоре-
чит тем взглядам, которые были высказаны генетика-
ми-классиками. С генетикой не случилось ничего похо-
жего на тот переворот, который совершил, скажем, Ко-
перник, заменив своей системой Птолемея, или допу-
стим, Эйнштейн, развив систему Ньютона и Галилея.
Я постараюсь на целом ряде примеров проиллю-
стрировать то, что, действительно, новая, современ-
ная генетика, развивает, детализирует те представле-
ния, те основы, которые были заложены классиче-
ской генетикой и ее основоположниками, тем, что ко-
гда-то называли вейсманизм-менделизм-морганизм.
Но устои классической генетики не сокрушило да-
же наиболее, пожалуй, выдающееся открытие в этой
области, сделанное во второй половине прошлого ве-
ка, открытие того, что носителем наследственности
являются не белки, а ДНК – дезоксирибонуклеиновая
кислота, это открытие не разрушило основные посту-
латы классической генетики.
Действительно, основное положение классической
генетики то, что носителем наследственности являет-
ся не клетка в целом, а какой-то клеточный компонент,
какая-то структура, а именно – структура, локализо-
ванная в ядре, а именно, хромосомы, и эти хромосо-
мы подразделены на участки – гены – каждый из кото-
рых отвечает за развитие определенного признака. Но
и тезис о том, что ДНК, а не белок есть носитель на-
следственности, никак не поколебало этого классиче-
ского положения, выдвинутого еще основоположника-
ми генетики.
Далее. Следующее по важности открытие, это от-
крытие сложности строения гена. Оказалось, что ген
представляет собой не сплошную последовательность
ДНК, а такие как бы чередующиеся участки, одни из
которых что-то кодируют, а другие ничего не коди-
руют, являясь бессмысленной последовательностью,
или несут какой-то смысл, не имеющий отношения к
синтезу соответствующего продукта.
Так вот, когда происходит синтез продукта ДНК, ри-
бонуклеиновой кислоты (которая, собственно, и штам-
пует белки по программе, которая задана ДНК), то счи-
тывается она со всей последовательности ДНК, кото-
рая составляет ген. Потом бессмысленные участки вы-
падают, а остающиеся могут сочетаться в разной по-
следовательности. То есть в пределах одного гена мо-
гут быть (хотя и не всегда) закодированы два-три раз-
ных белка, но это тоже никак не противоречит основ-
ной мысли генетики, что существует материальный но-
ситель наследственности и что за какие-то признаки
отвечают определенные гены. Так что здесь все в по-
рядке, и никаких таких противоречий с классической
генетикой, с ее постулатами нет.
Но тут возникает очень важный вопрос: как же так
получается? Гены, наследственная информация во
всех клетках нашего организма одна и та же, но ведь
наш организм построен из разных органов, из разных
тканей, из клеток разных типов, каждая из которых
имеет свою специфическую функцию, отличающуюся
от других клеток, от других тканей и так далее. В чем
же здесь дело?
Ответ на этот вопрос тоже был дан еще классиче-
ской генетикой, в частности, одним из ее основополож-
ников и отцов Томасом Хантом Морганом. Дело в том,
что в разных клетках набор-то генов один, но между ни-
ми имеется функциональное различие, в разных клет-
ках функционируют разные гены. И эти функциональ-
ные различия в генетическом аппарате от клетки дан-
ной ткани при ее делении передаются дочерним клет-
кам, это явление называют «эпигенетическая наслед-
ственность». И эта эпигенетическая наследственность
свойственна не только высшим организмам, много-
клеточным, но и бактериям, простейшим, бактерии и
простейшие обладают такой эпигенетической наслед-
ственностью. То есть, скажем, какая-то бактерия попа-
ла в определенные условия так, что в функционирова-
ние включились новые гены, и это состояние функцио-
нирования передастся потомкам этой бактерии. Но на
основании этих данных стали говорить, что, дескать,
тезис о том, что приобретенные признаки не наследу-
ется – устарел, что нужно его заменить другим поло-
жением – приобретенные признаки наследуются.
Александр Гордон. Поэтому у нас жирафы здесь
показаны как самый яркий пример такого понимания.
Леонид Корочкин. Да, типичный пример. Он вытягивает шею,
упражняется, и вот, пожалуйста, у него шея растет и у
потомков тоже растет.
Здесь можно отметить путаницу понятий, которой
страдают даже и биологи порой, к сожалению. Поня-
тие о наследовании приобретенных признаков истори-
чески так сложилось, что о нем можно говорить только
тогда, когда есть разделение организма на соматиче-
ские клетки и на зародышевый путь, так называемый,
половые клетки. О наследовании приобретенных при-
знаков можно говорить только в том случае, если при-
обретенные в процессе жизни сомой признаки, – вот
как длинная шея у жирафа – передаются в половые
клетки и потом воспроизводятся у потомков. Допустим,
я научился играть в шахматы, значит, мой потомок еще
быстрее научится, у него потомок еще быстрее научит-
ся, и потом родится особь, которая с самого рождения
прекрасно играет в шахматы.
Александр Гордон. Такого не бывает, да?
Леонид Корочкин. В жизни, конечно, такого никогда не бывает. Не-
даром смеются над опытами Вейсмана, когда он рубил
хвосты мышкам, и в потомстве все равно длина хвоста
не менялась. И в то же время ссылается на работу од-
ного горе-ученика и сотрудника Ивана Петровича Па-
влова, который вроде бы показал, что приобретенные
условные рефлексы передаются по наследству, но это
оказалось ошибкой – потом этого беднягу Павлов вы-
гнал с работы. Но, несмотря на то, что это было четко
опровергнуто, все равно продолжают на него ссылать-
ся.
У меня есть другой пример. Допустим, я занялся с
бодибилдингом, накачал себе вот такие мышцы, а по-
том бросил заниматься. Что с мышцами будет? Они
вернутся к начальному состоянию, а то еще и хуже,
совсем дряблыми станут. То есть наследственный ап-
парат, гены этих самих мышц, не помнят, что им нуж-
но сохранять такое состояние. А уж чтобы половыми
клетками это как-то передалось, это уже совершенно
немыслимая ситуация. Пожалуй, наиболее остроум-
ное возражение относительно концепции наследова-
ния приобретенных признаков выдвинул наш выдаю-
щийся ученый Николай Владимирович Тимофеев-Ре-
совский. Он говорил: «Ну, как же так, если приобретен-
ные признаки наследуются, откуда же девственницы
берутся?» Действительно, откуда же им тогда взяться.
Тезис о том, что приобретенные признаки не наследу-
ются, это один из основных тезисов классической гене-
тики, он незыблем, никакие новейшие достижения его
не подорвали.
Правда, часто ссылаются на открытие так называе-
мых подвижных генетических элементов (которые на
самом деле к наследованию приобретенных признаков
никакого отношения не имеют), что они как раз помо-
гают объяснить случаи, когда приобретенные признаки
могут наследоваться.
Что такое подвижный генетический элемент? Это,
вообще говоря, открытие современной генетики, но ра-
боты в этом направлении были начаты еще генетика-
ми-классиками. Нобелевскую премию за открытие этих
подвижных генетических элементов получила как раз
МакКлинток, которая еще в 20-30-е годы об этом писа-
ла. И на дрозофилах американский генетик Демерек
такие же данные получил. С открытием новых мето-
дов, с разработкой генно-инженерной техники, с раз-
витием молекулярной генетики все эти явления объяс-
нимы уже на молекулярном уровне.
Подвижный генетический элемент – это такие фраг-
менты ДНК, такие участки генома, которые могут пере-
мещаться по хромосомам, менять свое положение, и,
внедряясь в какой-нибудь ген, менять его проявление,
вызывать изменение этого гена. Там еще есть набор
таких повторяющихся элементов, скажем, идут трину-
клеатиды, и сотню, тысячу раз они повторяются. И по-
считали, что, дескать, это показатель нестабильности
генома, мол, раньше считали, что геном стабилен, а он
не стабилен.
Но ведь то, что геном изменяется, и раньше было
известно, мутации были уже открыты. Что такое мута-
ции? Мутация – это изменение, естественно, генома.
Поэтому открытие подвижных генетических элементов
тоже не подрывает общей концепции, которая говорит
о том, что все-таки существуют специфические носи-
тели наследственности что эти носители наследствен-
ности сосредоточены главным образом в ядерном ап-
парате, главным образом в хромосоме – потому что по-
движные генетические элементы тоже по хромосомам
перемещаются.
Александр Гордон. Простите, у меня вопрос. Кое-чего я никогда не
понимал, может быть, сейчас наступит ясность. Когда
должен смутировать геном, чтобы эта мутация была
передана по наследству?
Леонид Корочкин. Если мутация происходит в половой клетке, то
она передается…
Александр Гордон. В половой клетке?
Леонид Корочкин. Ну как может передаться мутация в соматиче-
ской клетке?..
Александр Гордон. То есть, любая мутация в половой клетке, про-
изошедшая во время жизни индивида, передается по
наследству?
Леонид Корочкин. Да, передается по наследству.
Но надо сказать, что здесь есть другой очень инте-
ресный момент, тоже хорошо известный в классиче-
ской генетике. Но сейчас он вызывает особый инте-
рес и получает экспериментальные обоснования, при-
водит к очень важным выводам в объяснении как про-
цессов индивидуального, так и эволюционного разви-
тия. Мутировать могут разные гены, и эффект от этих
мутаций может быть разный. Может измениться толь-
ко небольшой признак, может произойти такое измене-
ние, что его удается выявить только в сложной систе-
ме скрещивания. А может произойти изменение такого
гена, которое отражается на развитии органа или да-
же целостного организма. Такие гены были и раньше
известны, считалось, что есть главные гены и вспомо-
гательные. Но сейчас, с разработкой их с молекуляр-
ной позиции, эти главные гены получили название «ге-
ны-господа», а другие гены, которыми они управляют,
«гены-рабы».
Ген-господин отвечает порой за развитие целого ор-
гана, например, глаза. Этот ген-господин дает соот-
ветствующий сигнал целой группе вспомогательных
генов, которые ждут этого распоряжения, и эти гены
начинают работать, начинают синтезировать опреде-
ленные белки, клетки дифференцируются в опреде-
ленном направлении, между клетками возникает опре-
деленное взаимоотношение, которое определяется и
контролируется этими генами, и возникает орган, на-
пример, глаз. У дрозофилы есть мутация безглазости,
если эта мутация произошла, глаз не развивается, без-
глазая дрозофила получается. И такой же тип мута-
ции наблюдается у млекопитающих, называется «ма-
лые глаза», это тоже недоразвитые глаза.
Современная генетика характеризуется тем, что в
нее широко внедрены методы молекулярной биологии,
молекулярной генетики, генной инженерии. Использо-
вание этих методов позволяет заставить работать ге-
ны-господа в тех местах, где они обычно молчат. И
если заставить, например, ген-господин, от которого
зависит развитие глаза, у дрозофилы работать в не-
обычном месте, например, в лапке, в крыле, на брюхе,
то получается дрозофилиный глаз на брюхе, на крыле,
на лапках. Такие опыты и на лягушке делали, получи-
ли точно такие же результаты.
Самое интересное то, что нужно вместо дрозофи-
линого гена-господина вставить с помощью современ-
ных молекулярных методов ген-господин, взятый, до-
пустим, от мыши, или от человека, ген, который у них
заведует образованием глаза, и под влиянием функци-
онирования этого гена, скажем, в лапке или в крыле у
дрозофилы развивается глаз.
Александр Гордон. Глаз дрозофилы?
Леонид Корочкин. Естественно, не человеческий, что было бы ко-
нечно совсем интересно…
Правда, пока никто толком не изучал, идут ли ка-
кие-то связи в центр, воспринимает ли этот глаз ка-
кую-то информацию. Потому что если он нервными
связями с центром не связан, естественно, этим гла-
зом она видеть не может. Но такого рода явления име-
ют колоссальное эволюционное значение, и работы
современной генетики проливают свет на механизм
эволюции. Есть много различных гипотез об эволю-
ционном процессе. Несомненно, что эволюция была,
потому что ведь есть такие биологи, которые вообще
отрицают существование эволюции, есть такие, кото-
рые говорят, что с человека все начиналось. На самом
деле, конечно, эволюция была, началась она с низ-
ших форм, и такого рода мутации, по-видимому, игра-
ют ключевую роль в возникновении новых видов.
Эволюционная генетика до сих пор оставалась в
рамках полуфилософских гипотез и теорий, а теперь
возникла возможность экспериментально изучать эво-
люционные процессы, в частности, на некоторых груп-
пах дрозофил близких, родственных видов. Можно, ис-
пользуя генно-инженерные методы, исследовать, как
эта эволюция происходила. Потому что, по-видимому,
важнейшую роль в эволюционных событиях сыграли
эти подвижные генетические элементы, которые были,
вообще говоря, открыты классическими генетиками, но
представление о которых было детализировано и кон-
кретизировано современной генетикой.
Александр Гордон. То есть, все-таки современная генетика подвер-
гает сомнению традиционные представления об эво-
люции?
Леонид Корочкин. Понимаете, здесь сколько эволюционистов,
столько и представлений. Современная же генетика
вносит струю экспериментальной воспроизводимости.
В науке главное, чтобы можно было воспроизвести ка-
кие-то результаты. Собственно, наука и связана с вос-
производимостью, с экспериментами, которые могут
быть воспроизведены. Если какое-то явление нельзя
воспроизвести в эксперименте, то о науке уже трудно
говорить, это уже то, что лежит за пределами науки. В
частности, о происхождении жизни есть масса гипотез,
но их в принципе не проверишь, не воспроизведешь,
поэтому эта сфера находится уже за рамками науки,
лежит в области, скажем, философии биологии.
Александр Гордон. А как можно верифицировать ту гипотезу, что
эволюция идет путем набора малых мутаций?
Леонид Корочкин. Она, по-видимому, идет не так, не набором ма-
лых мутаций. В особенности, в нашей отечественной
эволюционной генетике, да и в западной тоже, сей-
час есть тенденция объяснять эволюционные процес-
сы так называемыми макромутациями. Такими мута-
циями, которые вызывают значительные, резкие сдви-
ги в процессе индивидуального развития, по типу ге-
нов-господ. Эти процессы могут взрывообразным спо-
собом, сразу привести к образованию нового вида.
Причем, мутации этих генов-господ иногда носят ку-
рьезный характер. Например, был журнал (он, навер-
ное, и сейчас есть) «Хирургический архив», в 60-е годы
я где-то взял его номер, и там была небольшая замет-
ка с иллюстрациями.
К хирургу обратился пациент, у него на голове вы-
рос половой член – пришлось удалять. Гистологиче-
ский анализ показал все признаки, все части полового
члена. Вот пример мутации, когда сработал ген-госпо-
дин… Ну, у него и в нужном месте тоже было то, что
надо. И вот…
Александр Гордон. Тут масса вопросов возникает: зачем удалил,
например…
Значит ли это, что гибрид, полученный при скрещи-
вании этого индивидуума с женщиной…
Леонид Корочкин. К сожалению, гибриды не получали, это было
бы, конечно, очень интересно…
Александр Гордон. Но теоретически возможно, с какой-то долей ве-
роятности, что его потомки будут обладать теми же до-
стоинствами?
Леонид Корочкин. Да, с какой-то долей вероятности могло бы быть
такое. И подобные процессы…
Александр Гордон. Простите, я вопрос на понимание задам. Пред-
ставим, что в этом курьезном случае мужчина отказы-
вается удалять лишнее достоинство, а вместо этого
находит женщину, которой это безумно нравится, у них
рождается восемь детей, среди который три обладают
теми же самыми достоинствами, и они находят жен-
щин, которым это тоже нравится, а остальные не на-
ходят женщин, потому что уже появилась мода не на
один, а на два половых органа…
Леонид Корочкин. Тогда пойдут к хирургу наверное…
Александр Гордон. Выходит, что мы буквально за несколько поко-
лений получаем новый вид?
Леонид Корочкин. Да. Примерно так.
Александр Гордон. Вот такая схема.
Леонид Корочкин. Примерно. Конечно, этиология таких изменений
другая, но они возможны. Кстати, Морган предполагал,
что и человек возник примерно так: от какой-то обе-
зьяны родилось существо более похожее на человека,
чем на обезьяну, потом признаки эти могли как-то уси-
литься. Возражения всегда были такими: а скрестится
оно, допустим, с непохожим существом и смажутся все
признаки. Но, оказываются, подвижные генетические
элементы помогают выбрасывать целые пакеты таких
измененных организмов, которые как бы сразу образу-
ют небольшую группу родоначальников нового вида…
Александр Гордон. То есть, это не индивидуальная, а видовая му-
тация?
Леонид Корочкин. Да, это пакет. И такого рода события могут при-
вести к эволюционным преобразованиям, преобразо-
ваниям генетического аппарата, и затем к появлению
новых видов. Такие экспериментальные работы у нас
в России ведутся, в частности, Михаил Евгеньев, мой
друг, в Институте молекулярной биологии этим занима-
ется, я немножко с ним в этих экспериментах сотруд-
ничаю.
Приятно осознавать, что этот тезис, который тоже
изменил лицо современной генетики, тем не менее,
был высказан еще генетиками-классиками, в частно-
сти, МакКлинток, Демереком. Сначала он был встре-
чено в штыки, считалось, что этот тезис как-то не очень
вяжется с основными положениями генетики, но на са-
мом деле я никаких противоречий с взглядами, свой-
ственными классической генетики, не вижу. И, скажем,
старые учебники по генетике по-прежнему можно ис-
пользовать, там многого нет, но основные знания по
генетике можно получить из этих учебников. Это тоже
один из показателей – скажем если взять учебники фи-
зики начала века, то уже сложно будет составить пред-
ставление о современной физике. А представление о
современной генетике, в общем, какое-то можно соста-
вить, прочитав даже учебники 30-х годов.
Я в свое время, когда генетика еще была под запре-
том, учился в Томске, в медицинском институте. Там
у некоторых преподавателей хранились старые книги.
У моего учителя по гистологии, профессора Хлопкова,
стоял шкаф с книгами: первый ряд – «Против реакци-
онного менделизма-морганизма», труды Лепешинской
и так далее. А потом как-то мы с ним про Вейсмана
заговорили, он говорит: «А ты Вейсмана-то читал?». Я
говорю: «Да вы что, это же реакционер!» Он подошел,
первый ряд книг вынул, а там дальше – Морган «На-
следственность», Вейсман… Я по старым этим книж-
кам и получил знания о том, что творится в генетике, и
в дальнейшем это мне очень помогло усвоить то, что
творится в современной уже генетике. Так что прочный
запас знаний из этих старых учебников можно полу-
чить, во всяком случае, классические законы генетики
там хорошо изложены, и их никто не отменял. Вся ге-
нетика зиждется на этих законах, а молекулярная ге-
нетика помогает как-то детализировать, изыскивать те
тонкие пути, по которым реализуются эти законы. Это
не отмена, это дальнейшее развитие классической ге-
нетики.
Интерес к генетике подогревается в последнее вре-
мя еще и тем, что, как мне кажется, растет и растет со-
циальное звучание этой науки. Идет масса дискуссий,
потому что, как выяснилось, формирование различных
свойств личности в значительно большей степени за-
висит от генов, чем мы раньше предполагали. Рань-
ше считалось, что есть среда, есть воспитание, и все
идет от них, а гены это так – можно что угодно воспи-
тать. Но, оказывается – нет. На животных было показа-
но, что такие свойства, как, допустим, агрессивность,
трусость, способность к обучению определяются гене-
тически. Были обнаружены даже гены, от которых за-
висит способность к обучению, предрасположенность
к агрессивности, особая трусость и так далее. А коль
скоро речь заходила про человека, говорили, что нет,
у человека все по-другому, там работают другие прин-
ципы – воспитание, духовные качества, они с генами
никак не связаны, зависят от окружающей среды и так
далее. Но оказалось, что не совсем так, что многие
свойства личности, которые формируются у человека
в процессе его индивидуального развития, тоже связа-
ны с генами. В частности, агрессивность, наклонности
к противоправным действиям, могут определяться ге-
нетически.
Даже гомосексуализм – животных, у дрозофилы уже
давно был выделен соответствующий ген. И у челове-
ка был найден гомологичный ген, который тоже отве-
чает за это качество. А что касается животных, то я по-
мню, в детстве наблюдал у нас во дворе кота, который
только за котами ухаживал и кошек совершенно игно-
рировал. Тогда меня это поразило, но теперь понятно,
что кот был с соответствующим геном.
Но как только речь заходит о человеке, всегда воз-
никают яростные дискуссии, малейшее оригинальное
высказывание часто вызывает гнев и среди ученых, и
среди публики – «расизм, евгеника» и так далее и так
далее. Но расизма никакого нет, если констатировать
различие между людьми не только по внешним при-
знакам, но и по психологическим качествам, по свой-
ствам высшей нервной деятельности, ничего здесь та-
кого страшного нет, перед Богом все равны, никто это-
го не отрицает, но по свойствам, конечно, существуют
значительные различия. И уж никак не обвинишь в ра-
сизме – поскольку он был африканцем – бывшего пре-
зидента Сенегала Сенгора, ныне покойного, филосо-
фа. Он писал: Господь наградил разные расы разными
качествами, белым больше присущ рационализм, чер-
ным – больше эмоциональные качества, желтым боль-
ше интуитивные качества, все наделены этими каче-
ствами, но в разной степени, и ничего расистского в
этом высказывании нет.
Теперь о евгенике. Евгенику у нас очень часто ру-
гали и продолжают ругать, но, по-моему, постепенно
отношение к этой науке меняется. В учебнике Лоба-
шева было сказано, что это раздел генетики, кото-
рый интересуется различными патологическими про-
цессами в развитии человека и старается как-то пред-
отвратить генетически детерминированные заболева-
ния. Сейчас то, что мы называем медицинской генети-
кой, это действительно наука, которая выявляет пато-
логические гены у человека, разрабатывает способы,
с помощью которых можно вмешиваться в процессы
индивидуального развития и исправлять те дефекты,
которые зависят от этих поврежденных генов. Некото-
рые болезни уже давно лечились, например, есть бо-
лезни обмена веществ, которые определяются генети-
чески, и если определить сразу после рождения, что
у ребенка есть предрасположенность к этой болезни
и посадить его на соответствующую диету, вырастает
нормальный человек. Если его на обычную пищу по-
садить, то наблюдаются дефекты в умственном разви-
тии, отставание в развитии, получается урод.
Следует отметить еще одно достижение современ-
ной генетики (которое не отменяет классику, но суще-
ственно ее дополняет). Оказывается, что эти генети-
ческие системы, эти гены удивительно консервативны.
То есть практически у всех организмов имеется набор
одних и тех же генов, и набор этих структурных ге-
нов, которые кодируют белки и какие-то белковые про-
дукты, или особые виды рибонуклеиновой кислоты, у
всех одинаков – разница количественная, она связана
с определенными моментами, о которых я сейчас ска-
жу.
Считается, что у человека – 30-40 тысяч структур-
ных генов, у дрозофил 14. Но эта разница не оттого,
что у человека 14 генов, как у дрозофилы, а другие ге-
ны его, человеческие. На самом деле есть такие гены,
которые присутствуют не в одной копии, а в несколь-
ких. Возьмем так называемый ген Notch, от которого
в значительной степени зависит развитие нервной си-
стемы, да и кожи эпидермиса. У дрозофилы, скажем,
он один, а у человека этих генов (немножечко друг от
друга различающихся) – четыре. Или ген Delta, кото-
рый тоже имеет отношение к развитию нервной систе-
мы. У дрозофилы он один, а у человека их 2-3, у мле-
копитающих его тоже больше, чем у дрозофил. Поэто-
му из одних и тех же кирпичиков складываются разные
организмы, и естественно встает вопрос – как же это
все происходит?
Происходит это, по-видимому, за счет регулирую-
щих генов, генов-господ, которые по-разному органи-
зуют развитие. Во-первых, определяют время синтеза
белковых продуктов, во-вторых, место, где они образу-
ются, и определяют, таким образом, специфику разви-
тия данного организма. Вообще, время формирования
различных закладок, время функционирования раз-
личных генов играет, по-видимому, решающую роль в
процессе индивидуального развития. Об этом тоже на-
чинали говорить еще классики генетики, но в настоя-
щее время это направление приобрело довольно ши-
рокий размах.
Допустим, в процессе развития происходит взаимо-
действие разных тканевых закладок, скажем, разных
отделов мозга. Клетки, которые состоят в разных от-
делах, взаимодействуют между собой, и очень важно,
чтобы время этого взаимодействия совпадало со вре-
менем их готовности к этому взаимодействию, то есть
одна что-то индуцирует, стимулирует, а другая отвеча-
ет на этот стимул. Мутация часто приводит к времен-
ным рассогласованиям, порою получается, что должен
развиваться какой-то отдел мозга, а сигнала еще не по-
ступает, тогда он недоразвит. И наоборот, сигнал посту-
пает, а он не готов отвечать на этот сигнал. В результа-
те могут быть какие-то умственные нарушения, недо-
развитие мозга, определенная форма патологии.
Большой интерес вызывает у генетиков наследова-
ние способности к обучению. На животных тоже было
показано, что можно вывести крыс или мышей умных
и можно глупых. Часто используют тесты оценки инди-
видуального развития для оценки умственных способ-
ностей. Можно сказать, что показано, что способность
к обучению действительно генетически детерминиро-
вана, но это не должно приводить к каким-то пессими-
стическим выводам. Допустим, кто-то невероятно спо-
собен к математике, но если кто-то не способен к ма-
тематике, то он может быть способен к музыке, быть
прекрасным композитором, быть хорошим писателем,
певцом и так далее, это тоже хорошо, не знаю даже что
лучше. У каждого есть какая-то группа способностей,
важно вовремя эти способности выявить и развивать.
Александр Гордон. Все равно обидно, у одних способности к мате-
матике, у других – к физическому труду.
Леонид Корочкин. Физический труд физическим трудом, но вспо-
мним знаменитых спортсменов: Пеле – футболист, Рой
Джонс – боксер, Каспаров и Фишер – шахматисты, их
имена тоже гремят, и они, по-моему, не жалеют, что вы-
брали этот спорт, и неплохо, что у них эти способно-
сти были. Так что чтобы все возможности реализова-
лись, конечно, нужно их вовремя выявить, потому что
эффект данного гена зависит, естественно, от влияния
окружающей среды.
Все дело в том (это тоже было раньше выявлено, а
сейчас показано и на молекулярном уровне), что эф-
фект каждого гена, оказывается, неоднозначен, име-
ется, как говорят, предел колеблемости в проявлении
каждого гена. Этот предел колеблемости называется
нормой реакции, то есть с помощью различных факто-
ров, различных влияний можно сдвинуть проявление
этого гена в положительную или в отрицательную сто-
роны. Но у каждой линии мышей или породы кошек эта
норма реакции строго ограничена и дифференцирова-
на. Американцы делали эксперименты на крысах: од-
на группа крыс содержалась сразу после рождения в
клетке, богатой всякой обстановкой – игрушки, лестни-
ца. Другая – в тесных клетках, без игрушек и тому по-
добного. Оказалось, что когда крысы стали взрослыми,
то у тех, которые развивались в благоприятных усло-
виях, толщина корковой пластинки была намного вы-
ше, чем у тех, которые развивались в плохих условиях,
а это крысы одной и той же линии со сходным генети-
ческим материалом.
Если взять мышей или крыс другой линии, то у них
будет тот же эффект, но пределы этих различий…
Александр Гордон. Норма реакции…
Леонид Корочкин. Да, норма реакции у них будет своя. То есть ка-
ждый имеет свою норму реакции, это тоже один из ха-
рактерных тезисов современной генетики.
Александр Гордон. Леонид Иванович, прежде чем вы продолжи-
те, один вопрос, который меня мучает с тех пор, как
вы сказали, что современная генетика придерживает-
ся той эволюционной теории, что развитие происходит
через уродство.
Леонид Корочкин. Можно сказать и так.
Александр Гордон. И вы тут же сказали, что есть определенные ге-
ны, которые отвечают за способность к обучению, за
агрессивность, за трусость. Эти гены тоже могут мути-
ровать пакетом?
Леонид Корочкин. Да.
Александр Гордон. То есть мы можем получить на каком-то этапе
(если говорить о гомо сапиенс) неожиданный популя-
ционный выброс смутировавших генов поведения, а не
фенооблика…
Леонид Корочкин. Может быть, да…
Александр Гордон. Что может хорошо объяснить и социальную
историю человечества?
Леонид Корочкин. Безусловно, те преобразования, которые проис-
ходили в генетическом аппарате, как-то отражались и
на развитии человечества. Вот Гумилев старался как-
то привлечь генетические факторы к объяснению тех
поворотов истории, которые имели место. Он выде-
лил даже такую группу – пассионариев. Он так пример-
но и предполагал, что произошел какой-то взрыв му-
таций, который повышал количество этих пассионари-
ев в популяции. Потому что исторические переломные
моменты сопровождались появлением большого коли-
чества такого рода лиц, которые стремились что-то из-
менить, что-то сделать в разных областях.
Александр Гордон. Но мутации эти все-таки – спонтанные, случай-
ные?
Леонид Корочкин. Вероятно, мутации, которые называют спонтан-
ными, в большинстве случаев объясняются как раз с
помощью перемещения упомянутых подвижных гене-
тических элементов.
Был такой генетик – Раиса Львовна Берг, дочь зна-
менитого географа и биолога, Льва Семеновича Бер-
га, автора одной из эволюционных концепций. Она от-
крыла периоды моды на мутацию. В какие-то годы
вдруг происходят взрывы мутации в популяции дрозо-
фил (она с дрозофилами работала). Причем, эта мода
ограничивалась какими-то определенными признака-
ми, например, щетинки меняются как-то в этот период,
мутируют – вместо прямых становятся витиеватыми,
как будто обожженными. В другой период брюшко раз-
мягчается или глаза меняются – это моды на мутации.
Были специфические периоды, которые характеризо-
вались взрывом, взлетом таких мутационных событий.
Очень трудно тогда это было объяснить, но сейчас
склоняются к тому, что эти взрывы связаны с тем, что
вдруг начинают проявлять, неизвестно почему, высо-
чайшую активность эти подвижные генетические эле-
менты. Начинают прыгать, перемещаться. Причем, у
них есть какая-то специфичность перемещения, ка-
кие-то специфические точки посадки – поскольку мута-
ции специфичны. И это приводит к взрыву мутации в
популяции.
Александр Гордон. И может привести к взрыву видообразования?
Леонид Корочкин. Да, и может привести к взрыву видообразова-
ния. Такого рода концепцию как раз выдвинули неко-
торые палеонтологи в Америке – Гоулд, Элдридж, Ст-
энли. Когда они исследовали ископаемые останки, то
оказалось, что есть периоды, когда ничего не происхо-
дит, миллионы лет проходят – и ничего, никаких изме-
нений, а потом слой в 100-200 тысяч лет – и вдруг все
начинает меняться.
Валентайн, один из американских палеонтологов,
предполагал, что такие взрывообразные события в
эволюции связаны с какими-то генетическими причи-
нами, к числу таковых он тоже относил подвижные ге-
нетические элементы. Но у него никаких фактических
данных не было, потому что он работал на очень древ-
нем материале – кембрий, докембрий. Но известно,
что имеются такие периоды, скажем, венд – докем-
брийский период, одним из первооткрывателей которо-
го явился наш палеонтолог Федонкин, когда вдруг по-
являются практически все типы бесскелетных. А потом
в кембрий опять внезапно появляется скелет у тех, кто
были бесскелетными.
То есть подобные взрывы в истории развития жи-
вотного мира имели место, и по всей вероятности они
были связаны с подвижными генетическими элемента-
ми. Одно время был большой бум их исследований,
сейчас немножко успокоились в этом отношении. Сей-
час интересы, пожалуй, в значительной мере переклю-
чились в сферу нейрогенетики, большой интерес вы-
зывает эта область генетики, поскольку там произо-
шли действительно удивительные открытия. Башкир-
ские генетики, причем солидные генетики, связанные с
московскими, открыли шесть генов, ответственных за
стремление к самоубийству. То есть оказывается, та-
кой признак, как тенденция покончить жизнь самоубий-
ством, тоже в какой-то степени зависит от определен-
ного сочетания каких-то генов, потому что есть целых
шесть генов, от которых это зависит.
При различных патологиях мозга локализовано мно-
жество генов, и действия их изучены, это тоже одна из
сфер современной генетики, которая пользуется боль-
шой популярностью и активно развивается во многих
странах. В частности, открыт ген старческого слабо-
умия, болезни Альцгеймера, наш ученый, мой бывший
студент, Женя Рогаев открыл этот ген. Открыт и ген бо-
лезни Хентингтона.
Александр Гордон. Все это, все гены присущи только гомо сапиен-
су?
Леонид Корочкин. Самое интересное, что, скажем, ген старческого
слабоумия и ген болезни Хентингтона открыты у дрозо-
филы, правда, пока неизвестно, что они там делают…
Александр Гордон. А ген самоубийства тоже у дрозофилы открыт?
Леонид Корочкин. Он у нее наверняка есть, только непонятно, что
он там делает, потому что есть гомология между гена-
ми. Достижение современной науки, связанное с ра-
ботами на молекулярном уровне, с молекуляризацией,
так сказать, науки, это открытие удивительного консер-
ватизма мира генов. Наверняка то, что есть у челове-
ка, есть и у дрозофилы. Так что у дрозофилы тоже та-
кие гены есть, но что они там делают, не знаю. Мы сей-
час пытаемся посмотреть, что с ними происходит, ка-
кие изменения они могут вызвать. Их сейчас можно с
помощью генной инженерии заставить очень активно
работать, а можно, наоборот, выключить. Мы пытаем-
ся на дрозофиле такого рода эксперименты ставить.
Я уже говорил, что человечий ген-господин можно
ввести дрозофиле. Оказывается, если от дрозофилы
элементы генома ввести в клетки человека, они там то-
же работают. Более того, это можно даже для каких-то
клинических целей использоваться, потому что у дро-
зофилы есть участок генома, который отвечает на по-
вышенную температуру – то, что для дрозофилы по-
вышенная, у человека она, скажем так, нормальная.
И если какой-то ген человека плохо, допустим, рабо-
тает, можно его поставить под контроль этого элемен-
та ДНК дрозофилы, который реагирует на температуру.
Для него эта температура человеческого тепла будет
высокой, для человека нормальной, и ген будет сти-
мулировать нужный человеческий ген, тот будет выда-
вать какой-то продукт, скажем, инсулин, если больно-
му диабетом ввести эти клетки.
Александр Гордон. То есть такой спусковой механизм…
Леонид Корочкин. Этот дрозофелиный регуляторный участок сре-
агирует на температуру и заставит работать ген, кото-
рый кодирует инсулин, инсулин будет вырабатывать-
ся, и не нужно будет больного лечить инсулином. Есте-
ственно, тут придется уже брать его клетки, и посколь-
ку в них нарушен синтез инсулина, их трансформиро-
вать таким геном, который способен синтезировать ин-
сулин, а потом ввести обратно, и иммунологической
несовместимости никакой не будет.
То есть весьма разнообразное применение находят
эти генетические данные, в особенности, пожалуй, в
области медицинской генетики, в области нейрогене-
тики, которая опять-таки повышает социальное звуча-
ние генетики и вызывает дополнительные дискуссии.
Поскольку это сложный вопрос, коль скоро речь захо-
дит о человеке. Тут встает проблема воспитания, нуж-
но понять все-таки, какую роль играют гены в воспи-
тании. На однояйцовых близнецах показана огромная
роль генетического материала. Если, допустим, один
однояйцовый близнец футболистом стал, то и другой
обязательно станет. И более того, если один вратарем,
то и тот вратарем будет. Часто однояйцовые близнецы
и болеют одинаково. Причем, такую работу проводили
в разных условиях воспитания. И оказалось, что те ка-
чества, которые у однояйцовых близнецов проявляют-
ся сходно, не зависят от того, в какой семье воспиты-
вались эти близнецы. Различия в системе воспитания,
в системе питания и прочего никак не сказываются на
тех качествах, которые близнецы проявляют в смысле
высшей нервной деятельности. Они абсолютно иден-
тичны. Это, конечно, свидетельствует о том, что гене-
тический аппарат играет очень большую роль.
И в силу тех особенностей генов, которые мы обо-
значали как норму реакции, различного рода проявле-
ния генной активности подлежат определенной кор-
рекции – если точно знать, как ген работает, что он де-
лает, какой продукт вырабатывает. Это достижение мо-
лекулярной генетики, мы можем конкретно всё знать:
какие гены, какие продукты. Если это знать, то можно
нормализовать или улучшить в нужном направлении
функции гена. Это как раз пути развития современной
генетики.
Александр Гордон. Надо констатировать, что классическая генети-
ка жива…
Леонид Корочкин. Да, жива. Ее детализируют, развивают, но она
жива. Ее постулаты остаются в силе, не нужно оби-
жать, так сказать, классическую генетику и говорить,
что нужно менять парадигму. Не нужно менять пара-
дигму.
Александр Гордон. Но, тем не менее, парадигма современной гене-
тики проливает свет на многие смежные дисциплины,
начиная от медицины, классической биологии и закан-
чивая, наверное, даже социологией и политикой.
Леонид Корочкин. В том-то и дело, в том-то и дело… Социологи
очень интересуются сейчас, кстати, генетикой.
Александр Гордон. Да, наука будущего. Психологи бы интересова-
лись побольше…


Материалы к программе


Из книги Л. И. Корочкина «Биология индивидуального развития» (М., 2002):

Биология развития — наука об индивидуальном развитии организмов. Сам этот термин появился относительно недавно. Изначально (в позапрошлом веке), когда интенсивно описывали стадии развития зародышей, говорили об эмбриологии; после трудов Ч.Дарвина, когда стали сопоставлять особенности развития различных организмов, получила право на жизнь сравнительная эмбриология; затем, когда блестящие эксперименты Дриша и Г.Шпемана проложили новые пути и способы анализа механизмов индивидуального развития, выделилась экспериментальная эмбриология. Наконец, события, происходящие в процессе эмбриогенеза и на последующих стадий развития, начали описывать с помощью биохимических, генетических, молекулярных и других методов, так что в конце концов стало ясно, что эти направления являются родственными ветвями одного и того же дерева и нельзя их отрывать друг от друга. Тогда и появилось обозначение биология развития, охватывающая весь комплекс этих дисциплин. С тех пор биология развития является одним из наиболее ярких примеров объединения усилий ученых самых разных специальностей с целью решить одну проблему — как из оплодотворенной яйцеклетки получается дефинитивная живая система со всеми свойственными ей специфическими особенностями! Какие факторы регулируют специфическое развитие этой системы?
В плане изучения таких регуляторных механизмов ведущее место занимает генетический подход. Этот подход приобрел столь значительный статус, что получил название генетики развития. Генетика развития, ранее называвшаяся феногенетикой, изучает реализацию наследственной информации в ходе индивидуального развития, т. е. путь от гена к признаку (морфологическому, биохимическому или молекулярному).
Этапы становления генетики развития. Становление феногенетики шло параллельно становлению биологии развития и может быть условно подразделено на несколько этапов. Первый этап — описательный. Он приходится на начало 20-х и отчасти на 30-е годы XX в. В течение 20-х-30-х годов был накоплен огромный материал в этой области, в особенности на млекопитающих — крысах, мышах, морских свинках. А норвежский цитолог и генетик К.Бонне-ви создала базу для развития современного учения о наследственных нарушениях онтогенеза у человека, и это дало возможность осмыслить данные по врожденным порокам развития у человека. Второй этап — экспериментальный. В 30–40 гг. удалось накопить богатый экспериментальный материал, проливающий свет на некоторые закономерности генетического контроля индивидуального развития. Именно в этот период были сформулированы основные принципы феногенетики:
1. Принцип дифференциальной активности генов как основа гетероге-низации (регионализации) развивающегося организма. Дело в том, что вопрос о закономерностях функционирования генома встал очень рано. Еще А.Вейсман в конце XIX в. пытался построить стройную схему, с помощью которой удалось бы их объяснить. По Вейсману, возникающие в ходе развития организма различия между клетками обусловливаются сортировкой наследственных единиц (детерминантов). Эти единицы распределяются неравномерно по различным клеткам и детерминируют их специализацию. Только половые клетки имеют полный набор детерминантов, а потому оказываются способными развиваться в целый организм. Так родилась теория зародышевого пути, согласно которой уже в ходе первого деления дробления одни клетки, где сохраняется полный набор детерминантов, образуют зародышевый путь, другие клетки, где детерминанты специфически распределяются между различными соматическими клетками, образуют соматический путь.
Обстоятельно изученное Т.Бовери в конце XIX в. развитие полового зачатка у аскариды гармонировало со взглядами Вейсмана. Бовери обнаружил, что диминуция (уменьшение количества) хроматина складывается из двух процессов — фрагментации хромосом и отбрасывания их концов. Процесс этот начинается со второго деления дробления и повторяется каждый раз, когда принадлежащая к половому пути клетка отделяет соматическую клетку. Таким образом, хромосомы зародышевых клеток Ascaris представляют собой комплексные образования, и часть хромосомного материала, входящего в их состав, не участвует в развитии соматических органов и тканей.
Однако подобный способ разделения полового и соматического пути встречается очень редко, в большинстве случаев это разделение, хотя и регистрируется чрезвычайно рано в эмбриогенезе, но не сопровождается диминуцией хроматина. Тончайшая структура хромосом в соматических клетках, как правило, не претерпевает существенных изменений, и, следовательно, генотип всех клеток тела одинаков, так что говорить о неравнонаследственном их делении во время индивидуального развития организма нет оснований. И, следовательно, как справедливо отмечал Н. В. Тимофеев-Ресовский, основная проблема генетики развития, изучающей действие генов в онтогенезе, т. е. путь от гена к признаку, заключается в выяснении того, каким образом при идентичном наборе генов во всех клетках организма формируются клеточное разнообразие и морфофункциональная специализация тканей и органов. На этот счет, начиная с 20–30-х годов XX в. , существует две «модели» (или гипотезы) объяснения феномена.
Первая гипотеза была сформулирована Морганом, который полагал, что, несмотря на одинаковый набор генов, в клетках многоклеточного организма, расположенных в разных частях развивающегося зародыша, и в разные моменты их дифференцировки функционируют разные гены, потому-то они и приобретают сначала химическое, а затем и морфологическое своеобразие. Вторую гипотезу выдвинул Гольдшмидт. Он предположил, что во всех клетках одинаково работают все гены, но их продукты испытывают разную судьбу в разных частях зародыша. Именно там они подвергаются селективному отбору, так что наблюдается не дифференциальная активность генов в разных клетках, а дифференциальное функционирование их продуктов. Если перевести взгляды Моргана и Гольдшмидта на современный язык, то можно сказать, что Морган говорил о дифференциальной активности генов, или о транскрипционном уровне регуляции регионализации эмбрионов, а Гольдшмидт — о дифференциальной экспрессии генов, т. е. о трансляционном и посттрансляционном уровне регуляции процессов гетерогенизации развивающихся зародышей.
2. Принцип ведущей роли ядерно-цитоплазматических отношений в регионализации зародыша. Этот принцип феногенетики был сформулирован в 30-е годы. Здесь представления Моргана и Гольдшмидта совпадали. Оба полагали, что за селективное проявление наследственной информации ответственна цитоплазма. По Моргану, в разных частях зародыша работают разные гены, потому что разные ядра попадают в разную цитоплазму, содержащую разные активирующие гены вещества. По Гольдшмидту, в разных частях зародыша функционируют разные генопродукты, потому что в их цитоплазме содержатся разные вещества, селективно способствующие или препятствующие функционированию этих генопродуктов.
О том, что в разных частях яйца содержится разная цитоплазма, известно было давно. В частности, у многих насекомых на самых ранних стадиях развития на вегетативном полюсе яйца возникает своеобразная зернистая, богатая РНК плазма, которую называют полярной плазмой. Ядра, попавшие в эту область, дают начало половым клеткам. Если ее облучить ультрафиолетом, то половые клетки не развиваются, и животные остаются стерильными. Если полярную плазму инъецировать в какую-то другую область зародыша, то в ней, в необычном для себя месте дифференцируются половые клетки.
3. Признание роли взаимодействия генов в процессе онтогенеза — третий принцип феногенетики. Эта роль была продемонстрирована многими исследователями, в том числе и из русской, кольцовской школы. Удалось выявить целый ряд феноменов, отражающих взаимодействие генов, в частности экспрессивность, пенетрантность и специфичность действия гена. Данные понятия были сформулированы немецким биологом Фохтом и российскими биологами Н. В. Тимофеевым-Ресовским и П. Ф. Рокицким.
• Под экспрессивностью подразумевается степень проявления данного гена. Всем известен, например, ген пегости у животных, обусловливающий пегую окраску. Окраска эта варьирует. Если речь идет о пегих коровах, то легко встретить как целиком белых коров с редкими черными пятнами, так и полностью черных коров с редкими маленькими белыми пятнами; имеются и все промежуточные уровни окраски. Это и есть экспрессивность.
• Пенетрантность — процент животных (или растений), у которых данная мутация проявляется. Например, мутация «белые глаза» (white) проявляется у дрозофилы в 100% случаев, и тогда говорят о 100%-й пенетрантности. В случае мутации vena transverse incompleta (radius incompletus, прерванная поперечная жилка крыла) у того же объекта пенетрантность может колебаться от 100%-й до 40–50%-й в зависимости от линии дрозофилы.
Специфичность действия гена включает три явления: время активации гена, направленность его действия и поле действия.
Время активации в ходе онтогенеза (временная специфичность действия гена) различно для разных генов и разных животных. Бывают как ранние гены, включающиеся уже в период дробления, так и поздние гены, транскрипция которых начинается относительно поздно, ближе ко времени формирования тканей и органов.
Направленность действия гена (пространственная его специфичность) заключается в региональных особенностях его экспрессии, в тканевой специфике его транскрипционной активности. Интересны эффекты направленности действия гена в случае выше названной мутации radius incompletus. Можно отселекционировать линии дрозофилы, у которых перерыв может быть в верхней или в нижней части жилки либо в ее середине. Иными словами, направленность действия гена обнаруживает межлинейные различия.
Поле действия гена обозначает размер области, на которую распространяется его влияние. В случае мутации radius incompletus это будет размер дефекта (перерыва) соответствующей поперечной жилки.
В чем же дело? Почему один и тот же ген характеризуется различной экспрессивностью, пенетрантностью, специфичностью действия? Ответ был найден путем анализа взаимодействия генов. Оказалось, что проявление действия каждого гена подвергается влиянию многочисленных генов-модификаторов, которые порой могут частично или полностью заблокировать его выражение в определенном признаке (низкая пенетрантность) или, наоборот, способствовать максимальному проявлению его эффекта (высокий уровень пенетрантности и экспрессивности). Русский генетик Б. Л. Астауров, ученик Н. К. Кольцова, выразился даже в том смысле, что все гены участвуют в формировании каждого признака, и каждый ген участвует в формировании всех признаков. Это, конечно, экстремистская точка зрения, но можно смело говорить об участии очень многих генов в реализации одного признака.
Так родилось понятие о норме реакции. Это понятие обозначает пределы колеблемости, вариабельности того или иного генетически детерминированного признака. В этих пределах признак может изменяться под влиянием как генов-модификаторов (т.е. генотипической среды), так и внешних факторов, к которым данный признак чувствителен в ходе своего развития.
Третий этап развития феногенетики — биохимический (40–60-е годы XX в. ). Можно сказать, что он начался с открытия бельгийским ученым Ж.Браше и русским цитологом Б.Кедровским выдающейся роли нуклеиновых кислот в развитии. Стало ясным, что они имеют какое-то отношение к реализации наследственной информации, и в частности в синтезе белка, поскольку активному синтезу белков в клетке всегда предшествовало накопление рибонуклеиновой кислоты (РНК). В связи с открытием в 50-е годы роли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) как материального носителя наследственности стало в основном понятным значение цепи ДНК-РНК-белок в процессе онтогенеза. Посредством сочетания экспериментально-эмбриологических и биохимических методов был продемонстрирован поток РНК и белка из ядра в цитоплазму и наоборот, а также показана обратимость дифференцировки ядер в ходе развития некоторых объектов. Поскольку нашли прямой продукт генов — рибонуклеиновую кислоту (РНК), удалось выявить реальность дифференциальной активности генов (т.е. дифференциальный синтез РНК) на разных стадиях развития и в разных тканях.
Четвертый этап — молекулярно-генетический (примерно с 60-х годов до наших дней). Характеризуется проникновением в генетику развития методов молекулярной биологии и генной инженерии, а также формированием представлений о конкретных путях реализации наследственной информации. Стало возможным выделять отдельные гены и не только анализировать закономерности их экспрессии в развитии, но и выявлять регуляторные зоны ДНК, от которых зависят эти закономерности. Результатом таких исследований стало открытие генетических регуляторных систем, контролирующих экспрессию генов на разных уровнях, начиная от транскрипционного и кончая посттрансляционным, тканевым и организменным.
Экспериментальные работы в области генетики развития проводятся в настоящее время по определенному плану:
• выявление разнообразия по данному признаку;
• доказательство генетической регуляции этого разнообразия (оно может быть вызвано не генетическими, но средовыми влияниями);
• локализация соответствующего гена (генов);
• выделение и клонирование гена, его секвенирование и «вычисление» продукта;
• анализ экспрессии гена в развитии;
• выявление регуляторных зон, контролирующих экспрессию, путем получения трансгенных животных, в геном которых введен соответствующий ген с прилежащими участками ДНК разной длины;
• молекулярно-генетический анализ взаимодействия данного гена и его продуктов с другими генами и их продуктами.
В настоящее время мы вступаем в пятый период развития фено-генетики, в ходе которого, возможно, будет решен основной вопрос этой науки, поставленный еще Т.Морганом: каким образом молекулярно-генетические события в ходе онтогенеза детерминируют формообразовательные процессы? Как из молекулярных изменений складываются изменения морфогенетические?
Гены, онтогенез и эволюционное развитие. В чем единство индивидуального и исторического развития? Генетика и биогенетический закон. О единстве индивидуального и исторического развития заговорили сразу после создания эволюционного учения. Это и понятно, поскольку эволюционные преобразования не могли начинаться иначе, как через изменения программы индивидуального развития. Первоначально это единство выражали в так называемом биогенетическом законе. Основываясь на работах О.Меккеля и Ч.Дарвина, немецкий биолог Фр.Мюллер еще в 1864 г. высказал идею о тесной связи предков с эмбриональным развитием потомков. Эта идея была преобразована в биогенетический закон известным дарвинистом Э.Геккелем. В 1866 г. он сформулировал этот закон следующим образом: «Онтогенез является коротким и быстрым повторением филогенеза, повторением, обусловленным физиологическими функциями наследственности (воспроизведения) и приспособленности (питания)». Следует сказать, что наиболее выдающиеся эмбриологи того и более позднего времени критически восприняли идеи Мюллера-Геккеля.
Собственно, в настоящее время этот закон всерьез принимается лишь в отечественной литературе, в западных источниках по эмбриологии и генетике развития он обычно вообще не упоминается или отрицается. Яркий тому пример — книга Р.Рэффа и Т.Кауфмана «Эмбрионы, гены, эволюция» (М., 1986). Вот что пишут авторы по этому поводу: «В конечном счете роковые слабости биогенетического закона заключались в его зависимости от ламарковской теории наследственности и в его непременном условии, что новая эволюционная ступень может быть достигнута только как добавление к взрослой стадии непосредственного предка. Вторичное открытие и развитие менделевской генетики на рубеже двух столетий покажет, что в сущности биогенетический закон — это всего лишь иллюзия». И еще: «Последний удар биогенетическому закону был нанесен тогда, когда стало ясно, что морфология и морфологические адаптации имеют важное значение не только для взрослого организма, но и для всех стадий его онтогенеза. Если морфология развивающегося организма имеет такое же важное, а может быть, и еще более важное значение, чем его морфология во взрослом состоянии, то это трудно согласовать с геккелевской моделью эволюции. В совокупности менделевская генетика, обособленность клеток зародышевой линии и важность морфологических признаков на всем протяжении развития положили конец теории рекапитуляции…»
Тем не менее у нас нет оснований сомневаться в том, что индивидуальное и историческое развитие организмов тесно друг с другом связаны и, следовательно, несмотря ни на что, составляют некое единство. В чем же это единство заключается? На мой взгляд, при его оценке следует исходить из того обстоятельства, что как индивидуальное, так и эволюционное развитие основываются на одном и том же материале, а именно ДНК, и потому им должны быть присущи общие закономерности.
Едва ли реально представлять развертывание заключенной в ДНК наследственной информации принципиально разным способом в случае онто- и филогенеза, однако в настоящее время общепринято допущение этих различий. Действительно, предполагают, что филогенез реализуется на основе нецелесообразных, ненаправленных процессов и на постепенном накоплении в популяции случайных, т. е. ненаправленных мелких мутационных изменений. Тем не менее исходя из единства индивидуального и исторического развития, а также из единства принципа, лежащего в основе того и другого, гораздо разумнее и логичнее распространить экспериментально выявленные и доказанные особенности индивидуального развития на вторичные, обусловленные ими эволюционные события, которые сами по себе обычно не поддаются точной экспериментальной проверке, а потому формулируются как спекулятивные, «подтянутые» под ту или иную экспериментально не верифицируемую концепцию.
При экстраполяции точных данных, полученных генетикой развития, на филогенетические процессы следует опираться на следующие факты:
• Индивидуальное развитие подчинено реализации развивающимся организмом определенной «цели» — преобразованию во взрослый, дефинитивный организм, и, следовательно, оно целесообразно. Отсюда следует предположение о целесообразности и эволюционного процесса, коль скоро его осуществление зависит от того же самого материала — ДНК.
• Процесс онтогенеза не случаен. Он протекает направленно от стадии к стадии, так что прохождение одной стадии с необходимостью влечет за собой переход на следующую, точно запрограммированную стадию развития. Всякого рода случайности исключают точную реализацию плана нормального развития. Отчего же эволюция должна основываться на случайных мутациях и идти неведомо куда по «ненаправленному» пути? Просматривая внимательно различные эволюционные ряды, у представителей которых имеются сходные структурные образования (крылья — у птиц, у летучих мышей, насекомых, древних рептилий, подобие крыльев у некоторых рыб), можно увидеть наличие как бы предопределенного, генетически «запрограммированного» в самой структуре ДНК (как и в случае индивидуального развития) филогенеза, как бы направленного по некоему «реформированному» каналу. Об этом говорил еще великий российский биолог Л. С. Берг, сформулировавший теорию номогенеза.
• В ходе онтогенеза фазы относительно «спокойного» развития сменяются так называемыми критическими периодами, характеризующимися морфогенетической активностью ядер и активацией формообразовательных процессов. Очевидно (и это подтверждается), и в эволюции длительные фазы стазиса, покоя должны сменяться взрывами видообразования. Иными словами, эволюция носит не градуалистский, а пунктуалистский, скачкообразный характер.
Роль макромутаций в эволюции. Следует отметить, что среди эмбриологов давно наблюдалась тенденция рассматривать феномен эволюции не как результат накопления мелких мутаций под влиянием естественного отбора, постепенно и медленно ведущих к формированию нового вида через бесконечные ряды промежуточных форм, а как следствие внезапных и коренных преобразований процессов онтогенеза, сразу вызывающих появление нового вида.
В 1908 г. Е.Рабо допускал, что видообразование может быть сопряжено с мутациями большой амплитуды, проявляющимися на ранних этапах морфогенеза и нарушающими сложную систему онтогенетических корреляций. Е.Гийено отметил, что Ж.Бюффон был близок к истине, когда, описывая нелепое строение и форму клюва, характерные для некоторых видов птиц, причислял их к тератологическим уклонениям, едва совместимым с жизнью. Гийено подметил, что одни и те же уродства у некоторых групп беспозвоночных (например, иглокожих) представляются то как случайные индивидуальные особенности, то как постоянные признаки видов, родов и семейств. Он предположил, что нередко катастрофические уродства являются очевидными следствиями макромутаций, изменяющих ход онтогенеза. Это — исчезновение способности к полету у многих птиц открытых пространств (страусы, казуары, эпиорнис), которое отнюдь не является следствием приспособления к бегу, но принадлежит к числу уродств, обрекающих его носителей на единственный образ жизни в ограниченном биотопе. Усатые киты — настоящий парадокс природы и живая коллекция уродств. Гийено считал, что любое животное можно описать в терминах тератологического языка. Так, передние лапы крота — пример ахондроплазии (нарушение окостенения длинных костей конечностей), среди китов наблюдается двусторонняя эктромелия (врожденное отсутствие конечностей), у змей — амелия. Организация человека уродлива по сравнению с его предками: таковы, например, анатомические особенности, связанные с вертикальным положением тела, отсутствие хвоста, сплошного волосяного покрова и т.д.
По мнению бельгийского эмбриолога А.Далька, со времени кембрия посредством радикальных трансформаций самых ранних стадий эмбриогенеза должны были установиться два-три десятка основных планов строения (архетипов). Резкие преобразования строения, случись они у взрослого, обернулись бы для него катастрофой и он был бы обречен на гибель. Однако зародыш, как отмечает Дальк, в силу чрезвычайной пластичности и присущей ему высокой регуляционной способности мог бы их перенести. Основой эволюционного процесса он считает «онто-мутацию», которая заключается в резких, глубоких, радикальных и в то же время жизнеспособных трансформациях в цитоплазме яйцеклетки как морфогенетической системы.
Особенно ясно положения о филогенетической роли резких уклонений эмбрионального развития были сформулированы Р.Гольдшмидтом. Он разработал стройную концепцию макроэволюции, основываясь на принципах генетики развития. Его взгляды выражены в следующих постулатах.
1. Макроэволюция не может быть понята на основе гипотезы о накоплении микромутаций. Она сопровождается реорганизацией генома, реорганизацией хромосом.
2. Изменения хромосомного «паттерна» могут вызывать значительный фенотипический эффект независимо от точковых мутаций.
3. Этот фенотипический эффект основывается на преобразовании систем межтканевых взаимодействий в процессе индивидуального развития и может иметь эволюционное значение, обусловливая появление так называемых «многообещающих уродов», значительно отклоняющихся в своем строении от нормы. Они могут быть преадаптированы к существованию в определенных условиях среды и, попав в эти условия, дать начало новым таксономическим единицам.
4. Системная реорганизация онтогенеза реализуется либо через эффекты генов-модификаторов, либо благодаря макромутациям, существенно изменяющим функционирование структур типа эндокринных желез, продуцирующих различные гормоны и оказывающих влияние на развитие организма в целом.
Один из самых ведущих палеонтологов современности О.Шиндевольф, исходя из факта предварения филогении онтогенезом, выдвинул теорию типострофизма. В ней он игнорировал процессы, протекающие в популяциях, отверг эволюционную роль случайности, признав носителем эволюции отдельную особь. Он считал, что отсутствие промежуточных форм в палеонтологических останках объясняется особенностями эволюционного процесса, который заключается в быстрых трансформациях форм, связанных с резкими изменениями уровня космической и солнечной радиации.
Сходные взгляды под названием «теория прерывистого равновесия» исповедуют американские палеонтологи Н.Элдридж, Ст.Стэнли и Ст.Гоулд. Они также придают важное значение в эволюции педоморфозу, т. е. таким изменениям онтогенеза, которые характеризуются полной утратой взрослой стадии и соответствующим укорочением индивидуального развития, когда последней становится стадия, бывшая прежде личиночной. Животные приобретают способность размножаться именно на этой стадии. По-видимому, таким путем возникли аппендикулярии, некоторые группы хвостатых земноводных (протеи, сирены), насекомых (гриллоблаттиды), паукообразных (ряд почвенных клещей).
Российский генетик Ю. П. Алтухов подразделил генотип на две части — вариабельную, обеспечивающую внутрипопуляционную изменчивость и разнообразие за счет обычных мутаций, и консервативную, предназначенную для охранения постоянства данного вида. Процесс видообразования связан только со второй частью генома. Мутации в этой области генома, как правило, летальны. Однако возможны и нелетальные изменения типа макромутаций, которые ведут к видообразовательным событиям.
Со взглядами Ю. П. Алтухова перекликается предложение М. Д. Голубовского (высказанное в 70-е годы XX в. ) различать в геноме конститутивную и факультативную части. Первая включает в себя набор структурных генов и регуляторных районов, постоянно присутствующих в геноме и являющихся материальным «воплощением» постоянства вида. Вторая состоит из повторяющихся последовательностей, подвижных генетических элементов и регуляторных районов, характеризующихся непостоянным присутствием в геноме и являющихся основной «движущей» силой эволюции, в особенности в случае каких-то катастрофоподобных изменений окружающей среды (сейсмические факторы, радиация и пр.).
Как онтогенез может «двигать» филогенез? Каковы, однако, те конкретные события и процессы, которые могут обусловливать преобразование типов онтогенеза? На мой взгляд, это особый вид мутаций, точкой приложения которых являются временные параметры созревания взаимодействующих систем в развитии. В сущности, весь процесс онтогенеза представляет собой цепь эмбриональных индукций, взаимодействий индуктор — компетентная ткань. Полноценное осуществление эмбриональной индукции зависит от того, насколько точно по времени созревание индуктора соответствует созреванию компетентной ткани. В нормальных условиях реагирующая компетентная система приобретает способность отвечать формообразовательным процессом на стимулирующий импульс индуктора в тот момент времени, когда индуктор становится способным продуцировать этот импульс. Рассогласования во времени созревания индуктора и компетентной ткани ведут к нарушению соответствующих морфогенетических процессов.
Мутации, вызывающие такие рассогласования, по-видимому, распространены достаточно широко. Примером такого процесса являются результаты наших с О. И. Богомоловой экспериментов на зародышах аксолотля. Мы показали, что отсутствие окраски детерминируется не утратой индуцирующих свойств эпидермиса или способности меланобластов мигрировать и синтезировать пигмент, а рассогласованием времени созревания этих двух взаимодействующих закладок, составляющих, таким образом, единую корреляционную систему.
Типичным случаем, который характеризуется распадом, дезинтеграцией такого рода корреляционных систем, является доместикация. Это было продемонстрировано И. И. Шмальгаузеном и Д. К. Беляевым. Корреляционная система оказывается нарушенной во многих случаях, не нарушается лишь функционирование жизненно важных органов. Например, в окраске домашних животных обычно отмечается неправильное распределение пятен различного цвета (у коров, собак, кошек, морских свинок), чего не бывает у диких животных, где имеется либо однотонная окраска, либо закономерное распределение полос или пятен. Следует отметить, что генетический контроль однотонной серой окраски достаточно сложен, тем не менее сложный корреляционный механизм легко разрушается. Мутации, проявляющиеся в процессе доместикации животных (по-видимому, в своем большинстве накопленные ранее, но не распространявшиеся в популяциях в силу малой жизнеспособности мутантов в естественной обстановке), в условиях их размножения под охраной человека действуют на уровне корреляционных соотношений. При этом существенные корреляции часто теряются, а взамен устанавливаются совершенно новые. Развитие хохла и перьев на ногах у кур, а также курдюка у овец обусловлены действительно новыми корреляциями. Установление новых признаков связано с установлением новых корреляций. И. И. Шмальгаузен рассматривает редукцию органов как распад корреляционных систем, а атавизм — как локальную реинтеграцию, в основе которых лежат сдвиги во времени наступления формообразовательных реакций.
Значение времени экспрессии генов в эволюционном процессе. Детальный биохимический анализ развития личиночных и имагинальных тканей у разных видов Drosophila группы virilis позволил выявить видовую специфичность времени биохимического становления исследованных тканей. Межлинейные различия в поведении лабораторных животных в ряде случаев являются результатом различных скоростей накопления нейрохимических субстратов в ходе развития.
Изменения временных характеристик, например преждевременная или задержанная пролиферация определенных групп клеток, способны преобразить фенотипический «облик» организма. Хорошие примеры такого «преображения» можно найти в работах А.Томпсона. Как им показано, путем простого преобразования координат достигаются значительные различия между органическими формами. Так, заменив координаты рисунка, изображающего морскую рыбу Scaurus, на изогнутую ортогональную систему, мы получим изображение не очень отдаленного рода Pomacanthus, которое по отношению к Scaurus вполне можно назвать «счастливым монстром» Р.Гольдшмидта. По-видимому, именно такие преобразования реализуются в ходе морфогенетического процесса, ход которого изменен макромутацией.
И в этом смысле сходство или различие органических форм и структур отнюдь не является доказательством их родственного происхождения. Отношение в этом случае подобно известным в логике отношениям равносильности. Равносильные формулы — это те, которые независимо от значений истинности входных переменных характеризуются идентичностью выходных значений истинности.
Роль гетерохроматина в эволюции. Что же, однако, заставляет гены изменять время экспрессии? Есть основания предполагать, что существенная роль в этом принадлежит гетерохроматиновым участкам хромосом, которые могут составлять от 20 до 80% генома. Фенотипический эффект изменения количества гетерохроматина часто проявляется в раннем эмбриогенезе, обусловливая, например, снижение количества клеток на орган или сохранение фетальных характеристик после рождения. Именно гетерохроматину и в первую очередь входящей в его состав сателлитной ДНК приписывают роль регулятора скорости клеточного деления и роста и, следовательно, временных параметров индивидуального развития. Гетерохроматин и сателлитная ДНК, возможно, оказывают воздействие на время экспрессии генов двояким способом: они могут ассоциироваться с определенным классом белков, которые влияют на структуру хроматина, и могут также влиять на трехмерную организацию интерфазного ядра.
Какие же факторы вызывают в ходе эволюции перераспределение гетерохроматина? Л. И. Корочкин и М. Б. Евгеньев предположили, что такого рода события происходят благодаря подвижным генетическим элементам, как бы «растаскивающим» кусочки гетерохроматиновой ДНК по разным ячейкам генома, результатом чего и являются гольдшмидтовские макромутации. Подвижные генетические элементы (ПГЭ) могут по крайней мере двояким способом влиять на реализацию наследственной информации в развитии. Во-первых, внедряясь в область структурного гена, они изменяют скорость транскрипции, в результате чего концентрация кодируемого этим геном белка изменяется в несколько раз.
Иными словами, происходящие в определенных точках генома элиминации, вставки и перераспределения блоков сателлитной ДНК, обусловленные их «захватом» перемещающимися подвижными генетическими элементами, могут быть механизмом реализации направленности эволюционного процесса, поскольку сайты вставок ПГЭ расположены закономерно, а не разбросаны в беспорядке по геному. Такого рода перемещения, по-видимому, способствуют «взрывам» различных инверсий и транслокаций, как правило, сопровождающих видообразование.
И все же основанные на данных генетики развития эволюционные представления являются лишь гипотетическими, и решающее слово пока что остается за палеонтологами.
Общие закономерности генетической регуляции индивидуального развития. На одном из международных симпозиумов, посвященных многочисленным аспектам генетики развития, эмбриологи и генетики пришли к единому мнению, что механизмы онтогенеза на различных уровнях его реализации универсальны и консервативны. Можно сказать, что строительные «кирпичики», а порой и целые блоки, из которых складывается будущий организм, похожи друг на друга. Сходны и системы управления «строительством». Специфика же развития разных организмов формируется за счет временных и пространственных различий в последовательности соединения этих «кирпичиков» в некое целостное «образование».
Изложенный в предыдущих главах материал позволяет сформулировать общие закономерности генетической регуляции онтогенеза, которые проявляются в ходе такого «строительства». Эти закономерности касаются:
•взаимодействия генов в развитии;
•организации генных систем («сетей»), контролирующих развитие;
•особенностей функционирования этих систем.
Особенности взаимодействия генов в развитии. Сходство генотипической структуры ядер клеток многоклеточного организма не препятствует регионализации развивающегося зародыша, его постепенно прогрессирующей и последовательной, строго закономерной гетерогенизации благодаря дифференциальной экспрессии генов. У эукариот дифференциальная экспрессия носит многоуровневый характер, так что «включение» того или иного гена и активация его транскрипции еще не означают выхода кодируемого им признака в клеточный фенотип. Как было показано в предыдущих главах, путь от гена к признаку тернист и сложен и в соответствии с догадками родоначальников генетики развития зависит от значительной части генома, от продуктов многих генов и градиента их распределения в развивающемся зародыше, а также от особенностей их взаимодействия друг с другом и с конкретным геном, функции которого изучаются. Основу индивидуального развития составляет, следовательно, взаимодействие генов, их системное, а не автономное функционирование. В какой-то степени правы были и Т. Г. Морган, и Р.Гольдшмидт, поскольку фактически «работают» обе представленные ими модели, так что дифференциальная экспрессия генов может быть реализована на уровне как дифференциальной транскрипции, так и дифференциальной трансляции, а также на уровне посттрансляционных событий, на тканевом или даже организменном уровне.
• Система генов, регулирующих развитие того или иного признака (или морфогенетического процесса) организована по иерархическому принципу, так что в каждом регуляторном генетическом «каскаде» существуют «гены-господа» и «гены-рабы». Первые в случае их активации являются своеобразным триггером, «разрешающим» реализацию определенного морфогенетического процесса и включающим «каскад» генов, осуществляющих этот процесс. С генами такого рода мы встречались при описании работ В.Геринга о морфогенезе глаза у дрозофилы.
• Генетические и молекулярно-генетические системы, управляющие развитием, удивительно консервативны и присущи как примитивным, так и высокоразвитым организмам. Как мы видели, мышиный ген small eyes способен заменить ген eyeless дрозофилы и «запустить» процесс развития глаза в ходе метаморфоза развивающейся мухи. Специфичность развивающегося органа (возникает глаз дрозофилы, а не мыши!), очевидно, обусловлена особенностями функционирования генов промежуточного звена между «генами-господами» и «генами рабами», например генами типа гомеозисных («гены-селекторы»). От них может зависеть синтез продуктов, которые обусловливают специфические межклеточные взаимодействия, детерминирующие становление вполне определенной формы.
Весь процесс индивидуального развития осуществляется, как мы имели возможность убедиться, на основе двух типов воздействия генов друг на друга: активирующего и тормозящего. Таким образом, регионализация эмбриона, спецификация его клеток, их взаимовлияния в ходе морфогенеза основаны на «игре» этих факторов и установлении некоего «баланса» таких антиномических состояний, разных в различных областях развивающегося зародыша. Итогом этого тонко сбалансированного процесса является неравномерное распределение генопродуктов вдоль эмбриональных осей, так что создается система полярных градиентов распределения биологически активных веществ, своеобразная химическая мозаика, химически преформированный «план строения» организма, воплощаемый в жизнь в ходе онтогенеза.
Специфическое соотношение различных генопродуктов в различных регионах зародыша есть молекулярно-генетическая основа так называемой позиционной информации — понятия, широко используемого в современной экспериментальной эмбриологии, но до сих пор конкретно не раскрытого. Под позиционной информацией подразумевается зависимость судьбы той или иной клетки от того положения (позиции) в системе развивающегося организма, которое она занимает. Совершенно очевидно, что «сигналом», передающим позиционную информацию как раз и являются особенности молекулярной «микросреды», в пределах которой происходит становление данной клетки (клеток).
Организация генетических систем, контролирующих развитие.
• Некоторые генные системы, последовательно включающиеся в процессе развития, организованы по кластерному принципу.
• Колинеарность в расположении генов и контролируемых ими признаков. Этот удивительный феномен означает соответствие линейного расположения генов линейной последовательности распределения детерминируемых ими признаков в теле развивающегося зародыша. Иными словами, в определенном участке хромосомы как бы «нарисована» в молекулярных терминах миниатюрная мушка-дрозофила или мышка, или человечек. Получается нечто похожее на то, о чем думали преформисты XVII в. Только они полагали, что в половой клетке присутствует миниатюрный человек в буквальном смысле этого слова, в действительности же его «образ записан», но в определенной структуре клетки, несущей наследственную информацию (хромосома), и на специфическом языке (молекулярно-генетическом).
Особенности функционирования генетических систем, контролирующих развитие.
• «Опережающее» функционирование генов в ходе онтогенеза. Как уже отмечалось, многие продукты синтезируются в развивающемся зародыше «заранее», часто задолго до того, как они будут востребованы. Это, в частности, вещества, которые участвуют в «разметке» плана строения организма (продукты генов сегментации, гомеозисных генов), в осуществлении эмбриональной индукции (индуцирующие вещества и их ингибиторы).
• Автономия частей при единстве целого. Это качество функциональной динамики генома отчетливо проявляется в раннем эмбриогенезе при созревании индуктора (хордомезодермы) и компетентной ткани (нейроэктодермы). Очевидно, генетические системы, регулирующие созревание индуцирующих свойств хордомезодермы и способность компетентной ткани реагировать на воздействие индуктора, функционируют в автономном режиме, независимо от того, находится ли данная развивающаяся эмбриональная закладка в составе целого зародыша или вне его. Целостность же развивающейся системы обеспечивается за счет того, что в норме сроки созревания двух взаимодействующих тканей строго «подогнаны» один к другому, как бы синхронизированы, в результате чего достигается нормальное течение онтогенетического процесса.
Из книги Л. И. Корочкина, М. Б. Евгеньева «Эволюционизм и „научный“ креационизм» (М., 2003):
Открытие и значение мобильных элементов. Открытие мобильных генетических элементов (МГЭ) во второй половине XX века позволило хотя бы частично научно обосновать возможные механизмы быстрого, «сальтационного» видообразования. МГЭ, открытые Барбарой МакКлинток у кукурузы, впоследствии были описаны у всех живущих в настоящее время живых организмов от бактерий до человека. МГЭ представляют собой дискретные сегменты ДНК, способные перемещаться и размножаться в пределах хозяйского генома. МГЭ делятся на два класса.
К первому классу относят элементы, которые в процессе своего перемещения сначала синтезируют цепь РНК, с которой затем с помощью особого фермента (обратной транскриптазы) синтезируется зеркальная «комплементарная» цепь ДНК, используемая после удвоения для встраивания в хромосомы хозяина. Ко второму классу относят МГЭ, которые кодируют фермент транспозазу, которая способна узнавать концы «своего» элемента и по этим концам вырезать и встраивать данный МГЭ в хромосомы хозяйского вида.
Внутри этих двух классов МГЭ подразделяют на различные «семейства», исходя из сходства между индивидуальными копиями. Интересно, что представители того или иного семейства, как правило, встречаются в пределах лишь одного вида или группы близких видов, хотя существуют и исключения из этого правила. В то же самое время надо отметить, что элементы обоих классов широко распространены как в животном, так и в растительном мире.
Происхождение МГЭ до сих пор остается спорным вопросом. Не ясно являются ли мобильные элементы побочным продуктом эволюции вирусов или же они сами служили предковыми формами, давшими начало разным группам вирусов. На долю МГЭ приходится от 5 до 50% генетического материала в зависимости от вида. Так, например, в недавно секвенированном (прочитанном) геноме человека на долю МГЭ приходится почти 45% от всей ДНК. Для сравнения отметим, что на долю структурных генов, отвечающих за синтез различных белков и формирование всех признаков организма, в геноме человека приходится лишь немногим более 1% от всей ДНК! Таким образом, в нашем геноме функционально важные гены выглядят как островки, плавающие в море МГЭ и других классов повторяющихся последовательностей.
Наличие сравнительно небольшого числа «нормальных» генов, отвечающих за те или иные признаки организма, наряду с огромной и на первый взгляд аморфной массой МГЭ, эндогенных вирусов и других видов повторов («сорная», «паразитическая» ДНК) позволили М. Д. Голубовскому и ряду других исследователей предложить концепцию, согласно которой геном высших организмов подразделяется на два компонента, две взаимосвязанные структуры: облигатный компонент (ОК), куда входят все «нормальные» гены, и факультативный компонент (ФК), включающий все разновидности МГЭ, разные другие не мобильные типы повторов, встроенные в хромосомы копии вирусов, а также различные ДНК-содержащие элементы цитоплазмы клетки, такие как митохондрии и хлоропласты. Согласно предложенной Голубовским классификации, к облигатному компоненту ядра относятся все гены, расположенные в определенных районах хромосом, и именно с этим компонентом ядра и работали все генетики классической поры. Количество и расположение последовательностей ДНК, составляющих факультативный компонент генотипа, может варьироваться не только в пределах одного вида, но и в пределах разных органов или стадий развития у одной особи. Замечательно, что у высших организмов, клетки которых содержат сравнительно много ДНК, на долю ОК приходится, как правило, незначительная часть генома. По-видимому, необычайно высокая пропорция ФК нужна клетке и в конечном итоге организму в целом для того, чтобы быстро и адекватно («целесообразно»- применяя терминологию Берга и Голубовского) реагировать на изменяющиеся условия внешней среды. Иными словами, за счет ФК происходит тонкая настройка генетического аппарата, а когда необходимо в ходе приспособительной эволюции, и коренная перестройка всего наследственного материала.
В частности, значение МГЭ в функционировании генома трудно переоценить. Достаточно сказать, например, что более 90% всех спонтанных мутаций у изученных с этой точки зрения организмов объясняется встраиванием или неправильным вырезанием МГЭ из «нормальных» структурных генов. Выдающийся русский генетик Ф. Добржанский, проработавший большую часть жизни в США, так же как и большинство генетиков-эволюционистов его времени считал, что мутации представляют собой сырой материал для действия естественного отбора. Еще 60 лет назад он был хорошо осведомлен о роли ионизирующей радиации, а также различных химических мутагенов в индукции мутаций. Однако при этом Добржанский справедливо полагал, что лишь небольшая доля наблюдаемых мутаций вызвана этими агентами. Он различал спонтанные и индуцированные мутации, указывая, что первые возникают в линиях, не подвергшихся действию известных мутагенных факторов. Добржанский также признавал, что сам термин «спонтанные мутации» лишь отражает наше незнание факторов их вызывающих. Лишь открытие МГЭ и выяснение их решающей роли в индукции точечных и хромосомных мутаций позволило понять механизм образования основной доли мутаций, относимой ранее к категории «спонтанных».

Библиография


Акифьев А. П. Генетика и судьбы. М., 2001
Гайсинович А. Е. Зарождение и развитие генетики. М., 1988
Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. М., 1993–1995
Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей. СПб., 2000
Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск, 2000
Корочкин Л. И. Взаимодействие генов в развитии. М., 1977
Корочкин Л. И. В лабиринтах генетики // Новый Мир. 1999. № 4
Корочкин Л. И. Введение в генетику развития. М., 1999
Корочкин Л. И., Михайлов А. Т. Введение в нейрогенетику. М., 2000
Корочкин Л. И. Биология индивидуального развития. М., 2002
Корочкин Л. И., Евгеньев М. Б. Эволюционизм и «научный» креационизм. М., 2003
Музрукова Е. Б. Т.Х.Морган и генетика. М., 2002
Патрушев Л. И. Экспрессия генов. М., 2000
Рэфф Р., Кофман Т. Эмбрионы, гены, эволюция. М., 1986
Соколова К. Б. Развитие феногенетики в первой половине ХХ в. М., 1998
Korochkin L. I. Gene Interactions in Development. Berlin-N.Y.: Springer, 1981

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X