Проблемы Эволюции

Проблемы Эволюции

Организация генотипа и формы наследственной изменчивости эукариот

Голубовский М. Д.

В кн.: Молекулярные механизмы генетических процессов: Молекулярная генетика, эволюция и молекулярно-генетические основы селекции. М.: Наука, 1985. С. 146–162.

Обзор "Происхождение эукариот"

 

УДК 575.24 : 595.773.4

М. Д. Голубовский
Институт цитологии и генетики, Новосибирск

ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОТИПА И ФОРМЫ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ЭУКАРИОТ

В кн.: Молекулярные механизмы генетических процессов: Молекулярная генетика, эволюция и молекулярно-генетические основы селекции. М.: Наука, 1985. С. 146–162.

  {146}

Термин «генотип» обычно употребляется в двух смыслах — узком и широком. В первом случае под генотипом понимают генетическую формулу определенного организма: перечень генов с их вариантами (аллелями). В более широком смысле генотип включает всю наследственную систему клетки или организма. Второй смысл гораздо лучше соответствует современному пониманию наследственности как свойства организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также обусловливать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды (Лобашев, 1967). Следовательно, любая генетическая система должна рассматриваться в трех аспектах: материальные носители, характер их взаимодействия и зависимость конечного результата развития от среды.

Элементность, связанность и целостность образуют триаду — необходимый каркас любой системы. Из системного подхода следует важный вывод. Предположим, что нам будет известна полная запись всех последовательностей ДНК и РНК данного организма, т. е. информационная структура, однако этого будет недостаточно, чтобы понять, как функционирует эта структура. Необходимо знать и характер взаимодействия генов, и условия среды. Структура и динамика отражают два способа кодирования, хранения и передачи наследственной информации.

 

{147}

Структурная организация генотипа

 

Вслед за М. Е. Лобашевым (1967) назовем совокупность всех наследственных факторов ядра — нуклеотип, а совокупность всех ДНК и РНК носителей цитоплазмы — цитотип. В 70-е годы выяснилось, что у эукариот значительная часть ДНК нуклеотипа не несет информативной кодирующей функции. Возник так называемый С-парадокс. К нему привели следующие группы фактов (Gall, 1981 ): избыточность содержания ДНК на гаплоидное число хромосом (или на геном) — величина С; отсутствие явной связи между величиной С и таксономическим рангом организмов; резкие различия в уровне С у близких видов при очевидном сходстве числа их генов и резкие локальные изменения в плюс и минус сторону количества ДНК в определенных участках хромосом у особей одного вида.

Загадка С-парадокса хотя и прояснилась после открытия экзон-интронной структуры генов эукариот, но не решена полностью. Более общий подход состоит, на мой взгляд, в том, чтобы выделять в наследственной системе любого вида два компонента структуры — облигатный и факультативный. Необходимость такого разделения вытекает из данных цитогенетики и молекулярной генетики (Хесин,1980, 1984).

Облигатный компонент (ОК) ядра — это совокупность генов. локализованных в хромосомах, то, что в классической генетике нашло отражение в построении генетических карт, где ген или блок генов должны занимать определенное положение у всех «нормальных» особей вида. ОК цитоплазмы — это гены органелл, прежде всего митохондрий и пластид, для которых уже построены генетические карты (табл. 1).

Факультативный компонент (ФК) генотипа образуют последовательности ДНК, количество и топография которых в нуклеотипе и цитотипе могут свободно варьировать у разных особей одного вида и даже в разных клетках одного организма вплоть до их полного отсутствия. Сюда входят также внутриклеточные, способные к автономной или полуавтономной репликации РНК-носители. Термины «облигатный» и «факультативный» — широко употребляются в биологии (в отношении симбиоза, партеногенеза и т. д.). В 1966 г. в цитогенетике было введено понятие об облигатном (конститутивном) и факультативном гетерохроматине, что позволило упорядочить многие разрозненные факты. Элементы ФК в отличие от таковых ОК имеют, как правило, характерные особенности в структуре, и поэтому их матричные функции (репликация, транскрипция и трансляция) проходят несколько иначе, либо дефектны. К ФК нуклеотипа (табл. 1) можно отнести две группы элементов.

Внутрихромосомные, или внутригеномные, и внегеномные элементы. факультативного компонента нуклеотипа. Группу внутрихромосомных и внутригеномных элементов составляют: 1) фракции высокоповторяющейся ДНК, которые расположены блоками и повторены сотни тысяч или миллионы раз. Они, как правило, не способны к транскрипции. Эти фракции называют сателлитными

 

{148}

Таблица 1. Облигатные и факультативные компоненты в структуре генотипа эукариот

 

Наследственная система клетки

Нуклеотип

Цитотип

Облигатный компонент

Факультативный компонент

Облигатный компонент

Факультативный компонент

Гены и семейства генов хромосом

Высокоповторяющиеся последовательности ДНК

Умеренно повторяющиеся последовательности ДНК, в том числе мобильные генетические элементы

Псевдогены

В-хромосомы

Эндогенные вирусы

Внехромосомные амплифицированные сегменты ДНК

Ядерные цитобионты

Гены органелл (митохондрий, плазмид)

Амплифицированные сегменты ДНК

 

Разного рода линейные и кольцевые ДНК

Плазмиды

Фрагменты гетерологичной ДНК

ДНК- и РНК-содержащие цитобионты

 

(стДНК), если они резко отличаются по составу нуклеотидов от остальной ДНК генома; доля стДНК у разных видов составляет от 1 до 80% генома. У ряда видов, например Drosophila hydei, целое плечо Х-хромосомы образовано мультипликацией одного сателлита. У другого вида дрозофил (D. virilis) три разных сателлита длиной в шесть нуклеотидов каждый расположены прицентромерными блоками и занимают около 40% всей ДНК генома. Доля высокоповторяющейся и сателлитной ДНК в геноме (нуклеотиде) широко варьирует у особей из разных популяций одного вида н между видами; 2) умеренно повторяющиеся (от 10 до 105 раз) последовательности составляют 10–30% генома эукариот. Среди «их есть элементы OK — семейства повторенных жизненно важных генов, кодирующих рибосомные белки, гистоны, рибосомные и транспортные РНК и т. д. Но основную долю умеренных повторов составляют элементы ФК — разного рода семейства рассеянных по геному мобильных генетических элементов — МГЭ (Ильин, 1982). У дрозофилы известно уже более 20 семейств МГЭ, каждый от 20 до 100 копий на геном, причем члены каждого семейства разбросаны по хромосомам. По своей структуре МГЭ эукариот сходны с транспозонами микроорганизмов (имеют повторенные фланговые последовательности) и способны перемещаться по геному. Каждая линия, а в природных популяциях каждая особь дрозофилы, отличается по составу, соотношению и локализации МГЭ (Spradling, Rubin, 1981; Ананьев, 1982; Montgomeri, Langley, 1983); 3) рассеянные по геному осколки генов OK — их безинтронные копии (так называемые псевдогены), не способные к транскрипции, и орфоны,

 

{149}

или гены-сироты,— одиночные копии из семейств тандемно повторенных генов ОК; 4) эндогенные вирусы, последовательности которых частично или полностью интегрированы в разные участки хромосом хозяина (Агол, 1976; Jaenish, 1983).

Внегеномные элементы ФК находятся в ядре, но образуют дополнительные фракции к основному набору хромосом или геному: 1) многократно умноженные (амплифицированные) сегменты ДНК, способные иметь несколько особых цитологических воплощений: мелкие хромосомные образования, двойные микрохромосомы, гомогенно окрашенные области (Копнин, Гудков, 1982); 2) внутриядерные симбионты, которые иногда наблюдаются у 100% особей; 3) добавочные хромосомы, или В-хромосомы. Они находятся в особом, гетерохроматиновом состоянии, транскрипционно неактивны; число их варьирует у разных особей одного вида и в разных тканях одного организма. В-хромосомы найдены более чем у 700 видов растений, у сотен видов беспозвоночных и у около 20 видов позвоночных животных (см.: Волобуев, 1981).

Факультативный компонент цитотипа. Сюда относятся разного рода линейные и кольцевые ДНК, плазмиды, фрагменты гетерологичной (чужеродной) ДНК и РНК, микросимбионты и вирусы, способные составлять с генотипом хозяина почти единую систему.

Таким образом, структурную часть генотипа клетки эукариот следует представлять в настоящее время как ансамбль взаимодействующих между собой информационных молекул, изучение которых должно вестись средствами и на языке популяционной генетики (Хесин, 1980, 1984). Взаимодействие ОК и ФК — это, по всей видимости, основной источник наследственных изменений в природе (Голубовский, 1978, 1980).

 

Взаимодействие облигатного и факультативного компонентов

 

ОК и ФК не разграничены китайской стеной, постоянно происходит двусторонняя миграция генетического материала. Переход ОК-->ФК наблюдается в процессе амплификации — как теперь выясняется, одного из универсальных путей для достижения сверхвысокой экспрессии определенного гена и для достижения клеточно-тканевой адаптации к факторам, лимитирующим рост и развитие (Бельков, 1982). Умножение копий достигается путем дифференциальной локальной сверхрепликации и перехода множественных копий во внегеномное состояние (в ядре и цитоплазме). Амплификация генов хозяина может быть достигнута также путем захвата их ретровирусами и последующим факультативным размножением, что иногда наблюдается при онкогенной трансформации клеток. Как отмечено выше, амплифицированные сигменты ОК могут получать разное цитологическое воплощение. Относительно свободный переход генетических элементов из ОК в ФК явился полной неожиданностью для цитогенетиков. Как отметила Е. Е. Погосянц (1981), двойные микрохромосомы цитогенетики наблюдали в некоторых 

{150}

опухолях еще в 60-е годы, но тогда им не придали значения, а некоторые отнесли их к артефактам.

Примером обратного перехода ФК-->ОК могут служить инсерционные мутации. Неожиданностью для генетиков оказалась не только мозаичная структура генов эукариот, но и то, что многие известные мутации вызваны внедрением разных элементов ФК — от МГЭ у дрозофилы до эндогенных вирусов у млекопитающих. Все спонтанные мутации в локусе bithorax у D. melanogaster, которые послужили основой Эдварду Льюису для классических работ по тонкому анализу гена у высших организмов и для установления феномена псевдоаллелизма, оказались связанными с внедрением разных типов МГЭ (Bender et al., 1983).

Доминантная летальная мутация «желтое тело» у мышей была впервые описана французским генетиком Люсьеном Кэно еще в 1905 г. и с тех пор во всех учебниках приводится как пример классической точковой мутации. На самом деле природа этого наследственного изменения состоит в стабильной интеграции ретровирусной последовательности в локус А — переход типа ФК-->ОК у мутантных мышей (Copeland et al., 1983). Один и тот же вирус в разных линиях мышей может занимать разное положение в хромосомах.

По образному замечанию известного вирусолога К. Г. Уманского (1981), «стоит только начать целенаправленно изучать объект, как оказывается, что он нафарширован самыми разнообразными вирусами... Они вездесущи. Может быть, именно поэтому их можно обнаружить при любом заболевании (у здоровых их, как правило, не ищут)». С биоценотической точки зрения вирусы можно рассматривать как уникальные переносчики генетической информации, как фактор, непосредственно или косвенно способствующий генетическому обмену в биосфере. У человека только в клетках кишечника число обнаруженных в норме и при патологии вирусов превышает 120, а число известных вирусов насекомых более 400. В природе постоянно происходит переход от инфекций к факультативному и облигатному симбиозу, когда вирусный или бактериальный геном становится элементом ФК клетки у эукариот (Кордюм, 1982; Jaenish, 1983; Jeon, 1983).

У высших организмов наиболее изученным с генетической точки зрения примером взаимодействия двух наследственных систем служит взаимодействие вируса сигма с геномом дрозофилы (Brim, Plus, 1982). Вначале в 1937 г. была найдена мутация мух, вызывающая их гибель в атмосфере СО2. Оказалось, что мутация наследуется не по Менделю, а причудливым образом: через цитоплазму, но не только по материнской линии — возможна регулярная передача чувствительности через самцов. Затем выяснилось, что чувствительность можно передать путем инъекции в гемолимфу. Наконец, было установлено, что в половых и соматических клетках чувствительных мух размножается РНК-содержащий пулевидный рабдовирус сигма. В природных популяциях частота мух, несущих вирус, достигает 20–50%. 

{151}

У ряда видов дрозофил и комаров несовместимость в скрещиваниях между особями из разных географических популяций (рас) основана на взаимодействии ФК и ОК, где в роли ФК выступают облигатные цитобионты. Внутри ядер инфузорий найдены видоспецифичные бактерии, которые сами не могут размножаться, а инфузории, зараженные бактериями, теряют способность вступать в половой процесс (Осипов, 1981).

Можно выстроить эволюционный ряд факультативных элементов, которые способны перемещаться в пределах хромосом, ядра и цитоплазмы: инсерционные последовательности ДНК с повторами на концах—транспозоны—плазмиды—вирусы. Возможны взаимопревращения и переходы факультативных элементов в обоих направлениях, в прогрессивном и регрессивном: ретровирус, утративший свойство самостоятельной репликации, не отличим от МГЭ, а транспозон или МГЭ, включивший в свой состав ген-репликатор, превращается в плазмиду (Хесин, 1984). Как в атомной физике доказано превращение элементов, так и в молекулярной генетике доказано превращение факультативных элементов генотипа.

Обнаружен случай регулярно происходящего в природе процесса перехода генов от бактерий в растения. Некоторые штаммы бактерий Agrobacterium tumifaciens несут Ti-плазмиду, участок которой встраивается в хромосомы клеток корневых колосков растений и перестраивает их метаболизм для нужд бактерии. Клетки неограниченно растут, образуя опухолевые узелки. Этот процесс удачно назван «генетическая колонизация» (Drummond, 1979). Из клеток опухолей можно получить растения, в хромосомах которых будет находиться и ген, переданный от бактерий.

Учитывая отсутствие принципиальных запретов на горизонтальную передачу генов между разными видами, в том числе эволюционно далекими, Р. Б. Хесин (1984) выдвинул и обосновал положение о едином генофонде всех живых организмов. Миграция информационных макромолекул в биосфере может быть важным фактором изменчивости и эволюции (Кордюм, 1982).

 

Вариационная изменчивость

 

Разделение наследственной системы эукариот на два структурных компонента — ОК и ФК приводит к более полному представлению о формах наследственной изменчивости. С мутациями в общепринятом в классической генетике смысле связана лишь часть наследственной изменчивости (Хесин, 1981), те изменения, которые непосредственно затрагивают ОК.

Поскольку элементы ФК имеют определенные структурные особенности, стало быть, им должна соответствовать и особая форма изменчивости. Под термином «мутация» в более узком, сложившемся в классической генетике смысле будем понимать лишь изменения, прямо или косвенно затрагивающие ОК генотипа, структуру генов, их расположение и число хромосом. Что же касается ФК,

 

{152}

то для обозначения самых разных изменений ФК можно предложить термин вариация, который так или иначе уже использовался в истории генетики применительно к изменчивости (Филипченко, 1929). Поистине, изучая структурную организацию генотипа у разных особей одного вида, мы постоянно сталкиваемся с вариациями на тему видового генома. Мутантные формы возникают случайно, с малой частотой, у отдельных особей. Характер изменчивости ФК совсем иной — здесь возможны массовые, упорядоченные наследственные изменения (Хесин, 1980, 1981, 1984). Вариации обычно возникают при таких изменениях абиотической, биотической или генетической среды, при которых канонические мутации наблюдаются редко. Представим взаимодействие среды и двух компонентов генотипа в виде триады:

 

 Среда (биотическая, абиотическая, генетическая)

I                               I

v                               v

Облигатный компонент (мутации)       Факультативный компонент (вариации)

 

Разные стрелки здесь схематически отражают степень влияния одного члена триады на другой. Тот факт, что такие воздействия, как облучение, резкое изменение внутриклеточной среды, гибридизация и т. д., способны вызвать мутации, т. е. изменения элементов ОК, хорошо установлен в классической генетике. Но связь среда-->ОК принималась, как правило, за единственную или ведущую форму наследственной изменчивости. На самом деле в природе существуют более мощные потоки, приводящие к наследственным изменениям, а именно среда-->ФК и ФК-->ОК. Именно они играют основную роль в возникновении наследственных изменений в естественной среде обитания вида (Golubovsky, 1980; Кордюм, 1983).

Выделение вариационной изменчивости в особый тип наследственной изменчивости, связанной с особым подклассом материальных носителей (ФК), очень важно. Оно позволяет понять, почему механизмы индуцированного мутагенеза и пути возникновения наследственных изменений в природе могут сильно различаться. (Так же, как отличается поведение животных в лаборатории, анализируемое методом условных рефлексов, от их поведения в естественной обстановке, в природных сообществах.) Вывод о том, что радиационный мутагенез, например, вовсе не есть ускоренный спонтанный, был впервые в ясной форме сделан Ю. Я. Керкисом (1940). Он пришел к правильному выводу, что спонтанные наследственные изменения возникают за счет нарушения внутриклеточного метаболизма и физиологического гомеостаза. Именно эти причины в первую очередь вызывают изменения ФК, а затем опосредованно (по принципу усиления) — мутации ФК. Из табл. 2 видно, что вариации возникают при действии самых обычных «не мутагенных» факторов.

Изменения ФК, или вариации, могут иметь такие следствия:

никак не сказываться на генотипе или фенотипе, что видно по различию в содержании и расположении МГЭ в разных линиях дрозофил (сюда можно отнести уникальность каждого человека в

 

{153}

Таблица 2. Вариации: массовые сходные изменения в генотипе дрозофил

 

Характер изменений

Генетическая основа

Индуцирующий фактор

Автор, год

Элиминация хромосом гибридов, аномалии развития

Гиперрепликация умеренного АТ-богатого повтора в хромосоме 6 и задержка ее деления

Межвидовая гибридизация, пониженная температура

Соколов, 1959;

Евгеньев, 1982

Стерильность, повышенная мутабильность, разрывы хромосом

Массовые транспозиции подвижных элементов

Ядерно-цитоплазматические отношения

Engels, 1983

Резкое повышение жизнеспособности

Групповые локус-специфичные транспозиции

Смена системы размножения

Беляева и др., 1981

Возможность получения культуры клеток

Увеличение дозы мобильных генетических элементов

Выращивание клеток вне организма

Spradling, Rubin, 1983

Соотношение ФК:ОК

Гиперрепликация или недорепликация

Тканевая дифференцировка

Spradling, Rubin, 1983

Транспозиционный взрыв

Увеличение дозы Р-факторов, содержащих транспозазу

Гибридизация с линией, насыщенной Р-факторами

Герасимова и др., 1984

Чувствительность дрозофил к повышенной концентрации CO2

Размножение внутриклеточного симбионта, рабдовирус сигма

Вертикальная передача, преимущественно по материнской линии

Brun, Plus, 1982

 

отношении величины и расположения гетерохроматиновых районов и другие подобные факты);

приводить к наследуемым физиолого-генетическим изменениям — продолжительности клеточного цикла, плодовитости, жизнеспособности;

влиять на частоты генетической рекомбинации, как в случае перемещения блоков гетерохроматина или изменения числа В-хромосом;

вызывать инсерционные мутации, приводить к генной нестабильности;

приводить к изменениям, которые наследуются не менделевски, а по типу длительных модификаций.

Приведем лишь один пример того, как возникают определенные, массовые, наследуемые неменделевски изменения элементов ФК. Большинство особей природных популяций дрозофил несут в составе генома мобильные элементы, относящиеся к семейству Р-факторов. Эти МГЭ обрамлены на концах короткими повторами в 31 н. п. и имеют размер от 500 до 3000 н. п. При попадании в цитоплазму с М-цитотипом (где нет репрессоров транспозиции), начинаются массовые перемещения Р-факторов, сопровождаемые появлением нестабильных инсерционных мутаций и разрывов хромосом в районах локализации Р-транспозонов данной линии дрозофилы. На фено-

 

{154}

типическом уровне эти массовые вариации ФК выражаются в появлении частичной или полной стерильности. Частота возникновения хромосомных перестроек в дисгенетических линиях достигает фантастических размеров — до 10% (Engels, 1983).

Не всегда массовые транспозиции имеют негативный эффект (Беляева и др., 1981). Так, при переходе от сильного инбридинга к свободному скрещиванию в ряде линий дрозофил за 1–2 поколения происходят множественные, кооперативные миграции МГЭ и одновременно резко возрастает жизнеспособность.

Обобщая свои 40-летние исследования по проблеме нестабильности генов у кукурузы, Мак-Клинток (McClintock, 1978) постулировала, что существуют «внутренние триггерные системы», способные к быстрой реорганизации генома. Степень реорганизации варьирует от амплификации генов, перемещения МГЭ, блоков гетерохроматина до сложных инверсий и транслокаций. Некоторые примеры вариаций на дрозофиле даны в табл. 2.

Множественные вариационные и мутационные изменения, происходящие одновременно, способны обеспечить достижение нового адаптивного пика при стрессовых воздействиях. Рассмотрение проблемы генетической стабильности клетки в целом привело к выводу о том, что существуют «механизмы направленной изменчивости», заложенные в структуре генома (Томилин, 1983).

 

Динамическая (эпигенетическая) наследственность

 

Под эпигенетической изменчивостью понимают наследуемые изменения генной активности. От мутаций они отличаются тем, что меняется активность, а не структура генетического материала. А от модификаций — тем, что вновь возникшее изменение генной активности наследуется в ряду поколений (Нэнни, 1961; Полянский, 1976; Бахтин, 1980; Юдин, 1982).

Что же может служить единицей изменчивости в данном случае? Р. Н. Чураев (1975, 1982), взяв за основу схему Моно и Жакоба, развил стройную концепцию об эпигенах — единицах динамической памяти. Эпигеном названа циклическая система из двух или более генов, которая имеет по крайней мере два режима функционирования и способна сохранять каждый из режимов в последовательном ряду клеточных поколений. Простейшая циклическая система — однокомпонентный эпиген — включает в себя один или несколько структурных генов, рецепторную зону и ген-регулятор, продукт которого имеет сродство к рецепторной зоне и способен либо активировать, либо подавлять транскрипцию (или трансляцию). Помимо связи белок—ДНК мыслимы и в ряде случаев доказаны регуляторные взаимодействия типа РНК—РНК, РНК—ДНК, ДНК—ДНК. Выбор режима функционирования (в простейшем случае — есть или нет активность структурного гена) зависит от регуляторных молекул, циркулирующих в клетке.

Наследование состояний может осуществляться простой переда-

 

{155}

чей регуляторных молекул через цитоплазму любых клеток, в том числе и генеративных.

Концепция эпигена позволяет понять возможный механизм явлений, которые давно установлены в разных областях генетики, но не укладываются в привычные рамки. К ним относятся длительные модификации (Полянский, 1976); массовые определенные наследственные изменения при стрессовых воздействиях — так называемые генотрофы у растений (Durrant, 1971) или изменения экспрессивности признака у мух (Светлов, Корсакова, 1970), «поглощение» признаков при скрещивании, когда нарушается один из основных принципов менделизма — «чистота гамет», например феномен парамутаций у кукурузы (Brink, 1973).

Многие из предсказанных в концепции эпигена следствий были экспериментально установлены в серии изящных и остроумных опытов А. Л. Юдина (1982) при изучении нестабильности у амеб методами трансплантации ядер. Изменения самых разных признаков оказались связанными с нарушениями в динамической памяти, а именно с воздействиями на короткоживущие регуляторные молекулы (белки или РНК), которые челночно мигрируют между ядром и цитоплазмой и служат каналом обратной связи.

Особенно интересно, что транспозоны прокариот и эукариот могут иметь эпигеноподобную организацию, включая в свой состав ген, который регулирует и собственную транскрипцию, и транскрипцию фактора транспозиции (Grindley, 1983). Когда Р-элемент попадает в цитоплазму М, лишенную продуктов гена-регулятора, массовые транспозиции продолжаются до тех пор, пока не накопится достаточное количество регуляторных молекул (O'Hare, Rubin, 1983).

Эпигенная организация МГЭ действует как авторегулятор, приводя к самоограничению количества этих «эгоистичных», способных к безудержному размножению фракций ДНК (Doolitle et al., 1984).

 

Три формы наследственной изменчивости и их свойства

 

В табл. 3 сопоставлены особенности трех форм наследственной изменчивости эукариот: мутационной, вариационной и эпигенетической. Первые две связаны с изменением структурных компонентов генотипа, однако между ними есть различие в способах хранения и передачи наследственной информации. Для вариационной изменчивости важным в смысле кодирования может быть определенная доля той или иной фракции ФК по отношению к ОК. Так, оказалось, что доля МГЭ в геноме дрозофил D. melanogaster есть величина относительно постоянная: состав МГЭ может сильно варьировать от линии к линии, но важно, чтобы общая доля МГЭ оставалась неизменной (Ананьев, 1982). За этим стоит принцип «единство целого при свободе частей» (Любищев, 1982), он проявляется не только на молекулярном, но и на морфологическом уровне.

 

{156}

Таблица 3. Три типа наследственной изменчивости у эукариот

 

Критерий оценки изменчивости

Мутационная

Вариационная

Эпигенетическая

Организация памяти:

 

 

 

кодирование

Четырехбуквенный код, число и топография генетических единиц

Соотношение ФК:ОК, число и топография фракций ФК

Регуляторные взаимодействия макромолекул

хранение

Структура ДНК

Структура ДНК

Циклические связи генов

передача

Конвариантная редупликация

Конвариантная редупликация

Распределение регуляторных молекул между дочерними клетками

Основные факторы, приводящие к появлению изменения

Ошибки систем репарации, воспроизведения и общей гомологичной рекомбинации

Внутриклеточная регуляция, онтогенетическая адаптация, биоценотические связи

Внутриклеточная регуляция, характер распределения регуляторных макромолекул

Характер появления новых изменений

Случайный, у отдельных особей; обычная частота 1:100000, при действии ФК — до 20–40%

Случайный, массовый, определенный

Случайный, массовый, определенный

Характер наследования в ряду поколений

Менделевский

Менделевский и неменделевский (цитоплазматический или по типу длительных модификаций)

Неменделевский, возможность «поглощения» признаков у гибридов, колебательный режим

 

Факультативные компоненты и наследственная изменчивость в природе

 

В период с 1963 по 1983 г. мы ежегодно проводили генетический анализ природных популяции дрозофил D. melanogaster в самых разных регионах СССР. В результате установлена существенная роль ФК в процессе возникновения и распространения наследственных изменений в природе. Суммируем некоторые итоги.

Молекулярно-генетический уровень. Из природных популяций были выделены множественные нестабильные аллели сцепленного с полом гена sn («опаленные щетинки»). На основе генетического анализа был сделан вывод, что нестабильность связана с инсерциями МГЭ в разные сайты локуса (Golubovsky et al., 1977; Голубовский, 1978, 1980). Этот вывод был полностью подтвержден в 1982 г. прямыми молекулярно-генетическими данными (O'Hare, Rubin, 1983). Среди выделенных из природы нестабильных sn-аллелей около половины, согласно предварительным данным Е. С. Беляевой (Институт цитологии и генетики СО АН СССР), вызвано внедрением Р-элемента, в остальных случаях могут быть интегрированы

 

{157}

другие МГЭ типа МДГ. Установлен аллелеспецифичный характер проявления свойства нестабильности, при этом набор изменений того или иного аллеля ограничен и предсказуем, сохраняясь неизменным многие поколения (Голубовский, 1980; Захаров, Голубовский, 1980). Эта специфичность зависит от типа МГЭ и исходного сайта его внедрения. В Х-хромосомах, содержащих нестабильные sn-аллели, повышена частота возникновения летальных и видимых мутаций в других локусах (Голубовский, 1980). Эти данные были также подтверждены в других работах (Герасимова и др., 1984; Engels, 1983).

Обнаружено изменение характера рекомбинации в гетерозиготах по инсерционным мутантам одного локуса (Yurchenko et al., 1984; Юрченко и др., 1984). Предполагается, что разрывы, индуцированные МГЭ в месте его внедрения, являются местами хромосомного обмена, который может происходить в гениальных митотических клетках.

Онтогенетический уровень. Транспозиции МГЭ происходят на ранних стадиях развития, задолго до мейоза, и потому в потомстве отдельных особей возникает сразу пучок мутантов (Голубовский, 1978).

В совместном с Л. И. Корочкиным (Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова АН СССР) генетико-биохимическом анализе нестабильности в локусе lz, который влияет на активность фермента фенолоксидазы, было показано, что разные нормальные по фенотипу производные исходного нестабильного аллеля отличаются по онтогенетическому профилю активности фермента (Голубовский, 1980). Из этого следует, что МГЭ влияют на регуляцию активности гена-хозяина в онтогенезе.

Путем транспозиции могут создаваться новые генные конструкции и новые системы регуляции генов в онтогенезе. Два гена — ген clw, влияющий на структуру крыла, и ген sn, влияющий на форму щетинок, в норме не зависят друг от друга, но в результате транспозиции подпали под контроль одного МГЭ и образовали бимутантную систему транспозонного типа sn :: Tn-clw. В результате два гена стали вместе проявляться и совместно мутировать.

На этой же бимутантной системе установлено, что инсерции могут вызывать эффект положения. Проявление инсерционного аллеля clw зависело от дозы Y-хромосомы и температуры — факторов, модифицирующих эффект положения (Захаров, Голубовский, 1980). Таким образом, эффект положения может возникнуть и без видимой хромосомной перестройки, за счет интеграции МГЭ.

Популяционный уровень. Обнаружен новый феномен: вспышка мутаций, сопровождаемая появлением множественных нестабильных аллелей (Голубовский, 1978). Вспышка мутаций затрагивает сразу множество географически удаленных популяций (но не все, наблюдается «пятнистость»). Сделанный в 1977 г. вывод, что инсерционный мутагенез есть существенный компонент естественного мутационного процесса, получил затем молекулярно-генетическое обоснование (Беляева и др., 1981; Spradling, Rubin, 1981; Engels, 1983; Герасимова и др., 1984).

 

{158}

Биоценотический уровень. «Мода» на мутации и колебания в частоте встречаемости определенных наследственных изменений, захватывающие ареал вида, есть, по всей видимости, отражение биоценотических взаимоотношении по типу паразит—хозяин. Получены данные в пользу того, что вирусы действуют в природных популяциях не только как мощный селективный агент, но и как усилитель мутационного процесса и донор или активатор мобильных элементов (Golubovsky,1980).

По данным Н. Плюс (1983), около 40% природных популяций и около 46% лабораторных линий заражены пикорнавирусами трех видов (одним из них или их смесью). Одновременно в природе распространяются летали, обеспечивающие в гетерозиготе устойчивость к патогенному действию вируса (Plus, Golubovsky, 1980). У мух — носителей вируса DCV в 2–3 раза повышен темп мутирования по сравнению с особями из той же линии, у которых удаляли хорион и тем самым освобождали от вируса (Golubovsky, Plus, 1982).

Наконец, были получены прямые данные о том, что мутации, индуцированные вирусами и гетерологичной ДНК, способны распространяться в природных популяциях (Александров, Голубовский, 1983). При этом возникают и распространяются хромосомы с множественными локус-специфичными повреждениями — свойство, характерное для действия МГЭ.

Вирусный мутагенез можно рассматривать как часть более общего инсерционного мутагенеза. По всей видимости, активация эндогенных МГЭ, опосредованная биоценотическими взаимоотношениями по типу паразит—хозяин, эпизодически происходит в природе. Став на эту точку зрения, мы получаем возможность единым образом объяснить ряд загадочных явлений в популяционной генетике: моду на мутации определенных генов, возникающую относительно синхронно в разных регионах, вспышки мутабильности, сопровождаемые появлением множества нестабильных аллелей, независимое возникновение сходных множественных повреждений хромосом в разных популяциях и т. д.

Ведущий фактор в возникновении наследственной изменчивости в природных популяциях — взаимодействие компонентов биоценоза. Предположение о том, что вирусы в природных популяциях выступают как доноры и переносчики МГЭ, получило первое прямое доказательство: мутантный штамм вируса ядерного полиэдроза, инфицирующий капустных бабочек, имел встроенный в свой геном МГЭ типа copia из генома насекомого-хозяина (Miller D. W., Miller L. К., 1982).

 

Некоторые эволюционно-генетические следствия

 

Анализ изменений в системе среда—ОК—ФК показывает, что процессы физиологической и генетической адаптации могут быть основаны на одних и тех же механизмах (Лабас, Хлебович, 1976; Полянский, 1976; Инге-Вечтомов, 1982).

 

{159}

Существует связь между повышением активности гена при повышении нагрузки или стрессе, т. е. между «молекулярным упражнением» в подсистеме ФК, и повышенной вероятностью включения его дополнительных копий в геном. Эта связь очевидна в явлениях компенсации — магнификации дозы таких жизненно важных генов, как рибосомные, гистоновые. Если вызвать генетический стресс, уменьшив путем делеции дозу рибосомных генов на 50%, то в соматических клетках всего за одно поколение происходит компенсация дозы путем амплификации и образования экстрахромосомных копий. Этот результат физиологической адаптации не наследуется. Но если число рибосомных генов уменьшить еще на 25%, то происходит наращивание числа генов до уровня нормы уже не только в соматических, но и в половых клетках. Процесс идет ступенчато, за 3–5 поколений.

Вначале магнифицированные копии генов в половых клетках наследуются нестабильно: происходит быстрая реверсия к норме в случае снятия стресса. Система как бы проверяет, насколько серьезны и повторяемы во времени неблагоприятные факторы. Если они действуют долго, более 5–7 поколений, наблюдается стабильное включение магнифицированных копий генов в состав ОК. Этот процесс происходит направленно и определенно, сразу у многих особей, чем принципиально отличается от мутаций (Хесин, 1980,. 1981, 1984).

Вероятно, подобные же следствия «молекулярного упражнения» генов лежат в основе обнаруженного в лаборатории Р. И. Салганика (Салганик и др., 1979) феномена, названного «ферментативный-импринтинг»,— введение больших доз генетических индукторов в. ограниченный период после рождения (у крыс) приводит к тому, что повышенная активность индуцируемых ферментов сохраняется длительно и во взрослом состоянии.

Возможны разные пути влияния «упражнения генов» на повышение вероятности включения их копий в ОК: один путь — захват мРНК активно работающих генов эндогенными вирусами с последующим встраиванием в хромосомы половых клеток и другой путь — встраивание копий активно работающих генов с помощью ревертаз или с помощью транспозаз, кодируемых разными МГЭ.. На вопрос, заданный четыре года назад известным генетиком-популяционистом Дж. Кроу (Crow, 1980), «Может ли Ламарк быть воскрешен?» теперь можно ответить в известном смысле утвердительно. Здесь видна явная аналогия с историей идеи о превращении элементов. Алхимики пытались осуществить ее на молекулярном,. химическом уровне. Но на уровне молекул переход невозможен, зато регулярно происходит на атомном уровне.

В. А. Геодакян (1972) сформулировал принцип, что любая эволюционирующая система, которая находится во взаимодействии со средой, вычленяет из себя подсистемы с постоянной и оперативной памятью. Таковы пары ДНК—белок, ядро—цитоплазма, половые клетки—сома, женский пол—мужской. Здесь первый компонент выполняет эволюционную задачу сохранения, а второй — измене-

 

{160}

ния. Обеспечивая информативный контакт со средой, элементы оперативной памяти должны обладать большей дисперсией признаков по сравнению с элементами постоянной памяти. Деление генотипа эукариот на ОК. и ФК прекрасно соответствует данному принципу. Ему следует даже внутреннее строение генов эукариот: экзоны выступают как бы в роли ОК., а интроны — в роли ФК. Иногда тот или иной интрон может считываться, за счет альтернативного сплайсинга возможно образование разных форм белка с одного гена. В некоторых случаях такой процесс происходит регулярно, как элемент тканевой дифференцировки. Не исключено, что в большинстве генов под покровом постоянного варианта считывания «просачиваются» другие, альтернативные варианты, которые при смене условий способны закрепиться и обеспечить адаптацию.

Взгляд на генотип эукариот как на систему взаимодействующих между собой информационных макромолекул, деление наследственной памяти на постоянную и оперативную, воплощенную в виде ОК и ФК, наконец, динамический способ хранения и передачи наследственной информации — все это обеспечивает такие разнообразные формы и пути наследственной изменчивости и эволюции генотипа, которые либо не знала, либо не допускала классическая генетика и базирующаяся на ней синтетическая теория эволюции (Берг, 1977; Воронцов, 1980; Голубовский, 1981, 1982; Кордюм, 1982; Корочкин, 1983; Любищев, 1982; Маргелис, 1983; Полянский, 1976; Хесин, 1984).

 

ЛИТЕРАТУРА

 

Агол В. И. Эндогенные вирусы.— Успехи соврем, биологии, 1976, т. 82, № 2, с. 163—180.

Александров Ю. Н., Голубовский М. Д. Роль вирусов и экзогенной ДНК в естественном мутационном процессе: экспериментальное исследование на дрозофиле— Генетика, 1983, т. 19, № 11, с. 1818—1827.

Ананьев Е. В. Молекулярная цитогенетика мобильных генетических элементов Drosophila melanogaster: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М.: Ин-т молекуляр. генетики АН СССР, 1982. 32 с.

Беляева Е. С., Пасюкова Е. Г., Гвоздев В. А., Ильин Ю. В.. Амосова И. С., Кайданов Л. 3. Транспозиции мобильных диспергированных генов у Drosophila melanogaster, выявляемые с помощью селекции.—Генетика, 1981, т. 17, № 9, с. 1566—1580.

Берг Л. С. Труды по теории эволюции. Л.: Наука, 1977. 387 с.

Бахтин Ю. Б. Генетическая теория клеточных популяций. Л.: Наука, 1980. 166с.

Бельков В. В. Амплификация генов в прокариотных и эукариотных системах.— Генетика, 1982, т. 18, № 4, с. 529—542.

Волобуев В. Т. В-хромосомы млекопитающих.—Успехи соврем, биологии, 1981, т. 86, № 3, с. 387—402.

Воронцов Н. Н. Синтетическая теория эволюции: ее источники, основные постулаты, нерешенные проблемы.— Журн. Всесоюз. хим. о-ва, им. Д. И. Менделеева, 1980, т. 25, № 3, с. 295—314.

Геодакян В. А. О структуре эволюционирующих систем.— Проблемы кибернетики, 1972, вып. 25, с. 81—91.

Герасимова Т. И., Мизрохи Л. Ю., Георгиев Г. П. Транспозиционные взрывы в отдельных зародышевых клетках при генетической дестабилизации у Drosophila melanogaster.— Докл. АН СССР, 1984, т. 274, № 6, с. 1473—1476.

Голубовский М. Д. Мутационный процесс и микроэволюция.— В кн.: Тез. докл. XIV Междун. генет. конгр.: Пленар. заседания. М.: Наука, 1978, с. 94.

Голубовский М. Д. Мутационный процесс и нестабильность генов в природных

 

{161}

популяциях дрозофил: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Новосибирск: Ин-т цитологии и генетики СО АН СССР, 1980. 32 с.

Голубовский М. Д. Некоторые аспекты взаимодействия генетики и теории эволюции.— В кн.: Методологические и философские проблемы биологии. Новосибирск: Наука, 1981, с. 69—92.

Голубовский М. Д. Критические исследования А. А. Любищева в области генетики.—В кн.: Александр Александрович Любищев. М.: Наука, 1982, с. 52.

Евгеньев М, Б. Повторяющаяся фракция ДНК в геноме Drosophila lummei Hackman, влияющая на репликацию и поведение хромосом в митозе.— Молекуляр биология, 1982, т. 16, вып. 3, с. 626—631.

Захаров И. К., Голубовский М. Д. Влияние температуры и Y-хромосомы на проявление и частоту совместного мутирования двух нестабильных генов у Drosophila melanogaster.— Генетика, 1980, т. 16, № 9, с. 1603—1612.

Инге-Вечтомов С. Г. Молекулярные механизмы наследственной и ненаследственной изменчивости.— В кн.: Эволюционная генетика, Л.: ЛГУ, 1982, с. 22—30.

Ильин Ю. В. Повторяющиеся гены эукариот.— Молекуляр. биология, 1982, т 16, № 2, с. 229—257.

Керкис Ю. Я. Физиологические изменения в клетке как причина мутационного процесса.— Успехи соврем, биологии, 1940, т. 12, № 1, с. 143—159.

Копнин Б. /7., Гудков А. В. Амплификация участков генома в соматических клетках млекопитающих, устойчивых к колхицину.— Генетика, 1982, т. 18, № 10, с. 1683—1694.

Кордюм В. А. Эволюция и биосфера. Киев: Наук. думка, 1982, с. 260.

Корочкин. Л. И. Эволюционное значение генетических подвижных элементов: Гипотеза.— Цитология и генетика, 1983, т. 17, № 4, с. 67—78.

Лабас Ю. А., Хлебович В. В. «Фенотипическое окно» генома и прогрессивная эволюция.— В кн.: Соленостные адаптации водных организмов. Л.: Наука, 1976, с. 4—25.

Лобашев М. Е. Генетика. Л.: ЛГУ, 1967. 544 с.

Любищев А. А. Проблемы формы, систематики и эволюции живых организмов. М.: Наука, 1982. 277 с.

Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М.: Мир, 1983. 432 с.

Нэнни Д. Роль цитоплазмы в наследственности.— В кн.: Химические основы наследственности. М.: Мир, 1961, с. 112—133.

Осиное Д. В. Проблемы гетероморфизма ядер у одноклеточных организмов. Л.: Наука, 1981. 165 с.

Плюс Н. Пикорнавирусы и реовирусы дрозофилы in vivo и in vitro.— Молекуляр. биология, 1983, вып. 34, с. 3—12.

Погосянц Е. Е. Новое в цитогенетике рака.— Генетика, 1981, т. 18, № 2, с. 2086— 2096.

Полянский Ю. И. Проблема физиологических адаптации в связи с формами изменчивости у свободноживущих простейших: (Некоторые итоги и перспективы исследования).— В кн.: Исследования по генетике. Л.: ЛГУ, 1976, т. 6, с. 73—89.

Салганик Р. И., Грязнова И. М., Маркель А. А., Мананкова И. М., Соловьева Н. А. Ферментативный импринтинг как следствие воздействия генетических индукторов ферментов в раннем периоде после рождения.— Докл. АН СССР, 1979, т. 245, № 2, с. 473–476.

Светлов П. Г., Корсакова Г. Ф. Критические периоды в эмбриогенезе мутации forked у Drosophila melanogaster и их морфологическая характеристика.— Цитология и генетика, 1970, т. 12, № 5, с. 642—650.

Соколов Н. Н. Взаимодействие ядра и цитоплазмы при отдаленной гибридизации. М. Наука, 1959. 147 с.

Томилин Н. В. Генетическая стабильность клетки. Л.: Наука, 1983. 156 с.

Уманский К. Г. Роль вирусов в природе. М.: Знание, 1981. 64 с.

Филипченко Ю. А. Генетика. М.; Л.: Гос. изд-во, 1929. 380 с.

Хесин Р. В. Непостоянство генома.— Молекуляр. биология, 1980, т. 14, № 6, с. 1205—1233.

Хесин Р Б. Некоторые неканонические механизмы наследования.— Генетика, 1981, т. 17, №7, с. 1159—1172.

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

 

{162}

Чураев Р. Н. Гипотеза об эпигене.— В кн.: Исследования по генетике. Новосибирск: Ин-т цитологии и генетики СО АН СССР, 1975, с. 77—92.

Чураев Р. Н. Прикладные аспекты концепции эпигенов.—Журн. общ. биологии, 1982, т. 18, № 1, с. 79—87.

Юдин А. Л. Ядерно-цитоплазматические взаимоотношения и клеточная наследственность у амеб. Л.: Наука, 1982. 199 с.

Юрченко Н. Н., Захаров И. К; Голдовский М. Д. Мобильные элементы — усилители кроссинговера.—В кн.: Экологическая генетика растений и животных: Кишинев: Штиинца, 1984, с. 141.

Bender W., Akam М., Kursk F. et al. Molecular genetics of the bithorax complex in Drosophila melanogaster.— Science, 1983, vol. 221, p. 23—29.

Brink R. A. Paramutation.— Annu. Rev. Genet., 1973, vol. 7, p. 129—154.

Brun G., Plus N. The viruses of Drosophila.— In: Genetics and biologv of Drosophila. N. Y.; L.: Acad. press, 1982, p. 625—702.

Copeland N. G., Jenkins N. A., Kee В. K. Association of lethal yellow at coat color mutation with an ectotropic murine leukemia virus genome.—Proc. Nat. Acad. Sci. US, 1983, vol. 80, N 1, p. 247—249.

Crow J. Can Lamark be resurrected.—Cell, 1980, vol. 19, p. 807—809.

Doolitle W. F., Kirkwood T. B. L., Dempster М. A. Н. Selfish DNA with self-restraint.—Nature, 1984, vol. 307, p. 501—502.

Drummond М. Crown gall disease.—Nature, 1979, vol. 281, N 5730, p. 343—352.

Durrant A. Induction and growth of flax genotrophe.—Heredity, 1971, vol. 27, p. 277-284.

Engels W. P. The P-family of transposable elements in Drosophila.— Annu. Rev. Genet., 1983, vol. 17, p. 315—344.

Gall J. Chromosome structure and C-value paradox.—J. Cell Biol., 1981, vol. 91, N 3, p. 3—19.

Golubovsky М. D. [Голубовский М. Д.]. Mutational process and microevolution.— Genetica, 1980, vol. 52/53, p. 139—149.

Golubovsky М. D., Ivanov Yu. N., Green М. М. [Голубовский М. Д., Иванов Ю. Н., Грин М. М.]. Genetic instability in Drosophila melanogaster: Putative multiple insertion mutants of the singed bristle locus.—Proc. Nat. Acad. Sci. US, 1977, vol. 74, p. 2973—2977.

Golubovsky М. D., Plus N. [Голубовский М. Д., Плюс Н.]. Mutability studies in two Drosophila melanogaster isogenic stocks, emdemic for С picornavirus and virus free.—Mutat. Res., 1982, vol. 103, N 1, p. 23—32.

Grindley N. D. F. Transposition of Tn3 and related transposons.—Cell, 1983, vol. 32, p. 3—5.

Jaenish R. Endogenous retroviruses.— Cell, 1983, vol. 32, p. 5—8.

Jeon К. W. Integration of bacterial endosymbionts in Amoeba.— In: Intracellular symbiosis. N. Y.; L.: Acad. press. 1983, p. 29—78.

McClintock B. Mechanisms that rapidly reorganize the genome.— Stadler Symp., 1978, vol. 10, p. 25—48.

Miller D. W; Miller L. K. A virus mutant with an insertion of a copia like transposable element—Nature, 1982, vol. 299, p. 562—565.

Montgomeri E. A., Langley C. Н. Transposable elements in mendelian populations.— Genetics, 1983, vol. 104, N 3, p. 473—483.

O'Hare К; Rubin G. Н. Structure of P-transposable elements and their sites of insertion and excision in Drosophila melanogaster genome.— Cell, 1983, vol. 34, p. 25—35.

Plus N.. Golubovsky М. D. [Плюс Н., Голубовский М. Д.] Resistance to Drosophila C-virus of fifteen l(2)gl/Cy stocks, carrying 1(2)gl lethals from different geographical origins.—Genetica, 1980, vol. 12, p. 227—231.

Spradling A. C., Rubin G. Н. Drosophila genome organisation: Conserved and dynamic aspects,—Annu. Rev. Genet., 1981, vol. 15, p. 219—264.

Yurchenko N. N., Zakharov I. К., Golubovsky М. D. [Юрченко Н. Н., Захаров И. К; Голубовский М. Д.]. Unstable alleles of the singed locus in Drosophila melanogaster with reference to a transposon marked with a visible mutation.— Mol. and Gen. Genet., 1984, vol. 194, p. 279—285.

Рекламные ссылки

Переподготовка на воспитателя