Эпигенетикаи наследственность

Термин «эпигенетика» был предложен Уоддингтоном в 1947 г. как производный от аристотелевского понятия «эпигенез». Пре­емственность терминов, как видим, сохранилась, но их содержа­ние не могло не измениться. Современная эпигенетика лишь от­даленно напоминает то, что понимали под эпигенезом в XVII-XV11I вв.

Эпигенетическая теория принимает, что становление видоспе-цифической организации, или адаптивной нормы, определяется целостными свойствами зародышевой клетки и действием корре­ляционных систем онтогенеза как системного объекта, а не сум­мой каких-то специфических частей зиготы или зародыша. Соот­ветственно, каждый признак организма определяется всем его генотипом. При таком широком толковании слово «эпигенетика» (от греч. «эпи» — на, над и «генез» — возникновение, развитие), как нам представляется, можно было бы перевести как «развитие на надге нети чес ком уровне». В более узком толковании — в кон­тексте генетики — Уоддингтон предложил называть эпигенетикой «ветвь биологии, изучающую причинные взаимодействия между генами и их продуктами, образующими фенотип* (Уоддингтон, 1970. С. 18). Эпигенетика включает изучение с позиций генети­ки двух главных составляющих онтогенеза — клеточной диффе-ренцировки и морфогенеза. Элементарными событиями диффе-ренцировки выступают процессы репрессий и дерепрессии генов, а элементарными событиями морфогенеза — возникновение тре­тичной структуры белков и слабых взаимодействий между ними.

Становление эпигенетики связано с трудами Шмальгаузена и Уоддингтона. Шмальгаузен (1938, 1940, 1946) разработал учение о корреляциях как основе целостности организма в онто- и фи­логенезе, создал концепцию стабилизирующего (консервативно­го, по старому названию) отбора и выявил его роль в обеспече-

нии устойчивости развития. Эта форма отбора — одна из немно­гих, которая реально работает в эволюции. Уоддингтон (1964, 1970) принял идею стабилизирующего отбора и создал концепции эпигенетического ландшафта и генетической ассимиляции.

Чтобы оценить всю важность эпигенетического подхода к по­ниманию онто- и филогенеза и осознать всю значимость сделан­ных в эпигенетике открытий, необходимо прежде всего уяснить, как она трактует природу наследственности.

Мы уже определяли это фундаментальное свойство всего жи­вого как способность к сохранению исторической преемственно­сти организации. Биологи в массе привыкли к тому, что носите­лями наследственности являются специализированные молекулы, изучение которых по определению всецело находится в компетен­ции генетики. В рамках СТЭ наследственность есть данность, не требующая причинного объяснения; она самостоятельный фактор, не зависимый от естественного отбора.

Это одностороннее и потому неправильное понимание пробле­мы. Шмальгаузен (1938) в свое время дал ей совсем иное реше­ние. Он убедительно показал, что наследственность не есть свой­ство генов как элементов специальной субстанции, собранных в генотипе, а представляет собой «выражение взаимозависимостей частей в корреляционных системах развивающегося организма» (Шмальгаузен, 1982. С. 174). Иными словами, это исторически обу­словленная концентрированная характеристика единой системы развития, продукт эволюции. Шмальгаузен представил наследст­венность как способность к устойчивому развитию при его типич­ном осуществлении. Отсюда вытекало, что главную функцио­нальную основу наследственности составляет фенотип, что он устойчивее своего генотипа и что нормальный фенотип может осу­ществляться при большом разнообразии генотипов. Значит, гено­тип — далеко не единственный «орган» хранения и передачи наследственной информации. Этот вывод был основан Шмальгау-зеном на большом фактическом материале. Аналогичных сообра­жений он придерживался и в отношении особенностей истори­ческого развития, с уверенностью констатируя, что «не изменения генотипа определяют эволюцию и ее направление. Наоборот, эволюция организма определяет изменение его генотипа» (Шмаль­гаузен, 1940. С. 57).

Время подтвердило правильность взглядов Шмальгаузена. Не­смотря на все зигзаги в развитии науки, все большему числу био­логов становилось ясно, что устойчивость развития (наследствен­ность) связана отнюдь не с генотипом. Она развилась у всех

многоклеточных с появлением онтогенеза в результате стабили­зации отношений между частями развивающегося организма. С прогрессом биологических знаний было установлено, что наслед­ственная преемственность в филогенезе вообще не зависит от струк­туры генотипа ни в один из моментов геологической истории. Фено­типы, относящиеся к разным генеалогическим линиям или эволюционирующие в разных направлениях, могут обладать оди­наковыми генотипами, и, наоборот, близкие фенотипы из парал­лельных линий могут иметь совершенно различные генотипы.

Что же тогда обеспечивает непосредственную преемствен­ность между поколениями? Что представляет собой связующее зве­но? Ответ на этот вопрос однозначен. Связующим звеном высту­пают цитоплазма, архитектоника яйцеклетки и материнский геном — и только в их совокупности. Наследственная преемствен­ность — это целостное неразложимое свойство живой системы.

Известно, что половые клетки многоклеточных животных проходят сложный путь развития, прежде чем достигнут зрелого состояния. Все это время они пребывают в изоляции от осталь­ных тканей своих носителей и тем обеспечивают сохранность свойств своего генотипа и своей цитоплазмы,

С момента оплодотворения и вплоть до стадии от поздней бластулы до нейрулы {у разных групп животных по-разному) ге­нотип эмбриона у всех животных с детерминированным типом раз­вития пребывает в неактивном состоянии, и все развитие зароды­ша осуществляется за счет белков, наработанных РНК генома матери. В этот период у зародыша окончательно формируется об­щий план строения и, в соответствии с законом Бэра, складыва­ются самые общие основы организации — предковый фенотип. Именно этот начальный фенотип, сложившийся под влиянием ма­теринской программы развития, и является связующим звеном ме­жду поколениями. Эта стадия развития зародыша, как и зрелый ооцит, наиболее устойчива и консервативна. Ничто не может из­менить ее способности к эквифинальному развитию. Если бы она претерпела изменения (вспомним, что Дальк предложил назвать их онтомутациями), то зародыш мог бы либо погибнугь, либо у него произошли такие радикальные изменения плана строения, какие последний раз предполагались в кембрии. Подобные события, очевидно, случаются только в переломные моменты истории.

Однако при сохранении плана строения развитие эмбриона в конкретных условиях может идти несколькими путями: у него все­гда имеется перспектива выбора между ограниченным числом возможных траекторий (программ). Такой выбор может осущест-

вляться в так называемые критические периоды развития (Свет­лов, 1965), характеризующиеся повышенной чувствительностью морфогенеза к состоянию онтогенеза и к факторам внешней сре­ды (в опытах Светлова — к температуре). В критические перио­ды воздействием простых внешних факторов можно изменить развитие того или иного не жизненно важного признака.

Таким образом, и в наши дни развитие организма в онто- и филогенезе предстает как сочетание элементов эпигенеза и пре-формации, и различия во взглядах сводятся к представлениям об их соотношении.

Но вернемся к эпигенетической изменчивости и генной регу­ляции. Преемницей модели Жакоба—Моно стала концепция о еди­ницах динамической памяти — эпигенах, созданная Р.Н. Чурае-вым (1975). Он назвал эпигеном циклическую систему из двух или нескольких генов, имеющую не менее двух режимов функцио­нирования, сохраняемых в последовательном ряду клеточных по­колений. Выбор режима функционирования зависит от регулятор-ных молекул белков и РНК, которые челночно циркулируют между ядром и цитоплазмой и обеспечивают обратные связи.

Из концепции эпигена вытекают важные особенности насле­дования. Присутствие одного гена способно изменить выражение другого в ряду поколений вплоть до поглощения одного аллеля другим (такое явление регулярно наблюдается у кукурузы при так называемых парамутациях). Могут наблюдаться массовые обрати­мые наследственные изменения определенной направленности. Наследование может осуществляться простой передачей регуля-торных молекул через цитоплазму как соматических, так и заро­дышевых клеток. И еще одно важное следствие. Представим, что в клетке имеется 10 эпигенов, каждый из которых может быть в двух функциональных режимах. В этом случае наследственная сис­тема может находиться в 2^|0= 1024 альтернативных состояниях при сохранении одних и тех же последовательностей ДНК. Каждому их этих состояний может соответствовать своя особенность в на­следовании признаков.

Идеи Чураева об эпигенах и функциональной наследственной памяти получили подтверждение и развитие, в том числе у ряда зарубежных авторов (Holliday, 1987; Jorgensen, 1993). Важным моментом стал синтез эпигенов, осуществленный сначала автором (Tchuraev et at., 2000), а затем еще двумя группами исследовате­лей (см.: Голубовский, 2000. С. 134). Альтернативные режимы их функционирования соответствовали теоретическим ожиданиям (Judd, Laub, McAdams, 2000).

Концепция эпигена позволяет понять возможный механизм та­ких явлений, как длительные модификации, массовые направлен­ные изменения регуляторного характера, в том числе количествен­ных признаков у растений при резкой смене режима питания, феномен парамутаций у кукурузы и др.

В 1997 г. в США вышла коллективная сводка по эпигенети­ческим механизмам генной регуляции («Epigenetic mechanisms...», 1997).

Подытожив результаты собственных исследований и опираясь на многочисленные данные других авторов, Голубовский имел пол­ное основание утверждать, что «организация генотипа эукариотов как системы взаимодействующих между собой информационных макромолекул, деление наследственной памяти на постоянную и оперативную, воплощенную в виде ОК и ФК, наконец, динами­ческий способ кодирования, хранения и передачи наследственной информации — все это обеспечивает такие разнообразные фор­мы и пути наследственной изменчивости и эволюции генотипа, которые не знала или не допускала классическая генетика и ос­нованная на ней синтетическая теория эволюции» (Голубовский, 19856. С. 337).

В гл. 14 уже говорилось о белках-прионах — источнике за­болевания скота, грызунов, кошек и других млекопитающих ко­ровьим бешенством. До их открытия считалось аксиомой, что первичная структура белка однозначно детерминирует характер его укладки (конформацию). С этой аксиомой был также связан постулат, что определенной последовательности аминокислот в белке должен соответствовать только один уровень ферментатив­ной активности. Оказалось, однако, что инфекционный белок (обозначаемый как P_rP^Sc) может каким-то образом возникать самопроизвольно путем модификации вторичной и третичной структуры его нормального клеточного гомолога (Р_ГР^С). Моди­фикация осуществляется в системе «белок—белок» по матрично­му типу (Masters, Beyreuther, 1997) лишь в присутствии гена прионизации, но без его непосредственного участия (!). С подоб­ным феноменом молекулярные биологи столкнулись впервые и пока не нашли для него подходящего объяснения (Prusiner, 1998).

Аналогичные явления были обнаружены в 1993 г. у дрожжей (Инге-Вечтомов, 2000а), у которых инфекционный белок переда­стся при гибридизации вместе с цитоплазмой помимо гена. Уда­лось однозначно показать, что за возникновение соответствующей

пространственной структуры белков-прионов ответственны дру­гие белки.

В последние годы у дрожжей было обнаружено несколько разных прионов, и дрожжи стали использоваться как более про­стая и удобная модель для изучения прионных заболеваний. Вы­явилась и близость их прионов к прионам млекопитающих. С.Г. Инге-Веч том ов, исследующий прионы уже ряд лет, пришел к выводу, что общий механизм образования этих белков и поря­док их воспроизведения у потомков являются, соответственно, вы­ражением особой формы эпигенетического контроля трансляции и одним из загадочных способов осуществления эпигенетиче­ской изменчивости и наследственности. Он склонен и к более об­щему заключению, указывая, что «феномен прионов... скорее ча­стный случай общебиологического механизма, лежащего в основе эпигенетического наследования» (Инге-Вечтомов, 2000а. С.305). Можно полагать, что разгадка тайны прионизации без посредст­ва нуклеиновых матриц поможет пролить свет на механизмы, определяющие конформационную структуру белков и характер их регуляционной активности.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: