Андрей Шляхов - Генетика на пальцах

В далеком 1928 году британский врач Фредерик Гриффит поставил эксперимент, доказывающий, что бактерии способны поглощать молекулы ДНК из внешней среды. Этот процесс у генетиков называется трансформацией.

Гриффит заражал мышей двумя разновидностями пневмококков (бактерий, вызывавших пневмонию), одни из которых (тип 1) были способны вызывать заболевание, а другие (тип 2) такой способностью не обладали. В то время такую разницу в воздействии пневмококков на организм объясняли наличием у бактерий первого типа защитной капсулы, которая делала бактерии недоступными для иммунной системы организма-хозяина, в данном случае – мышей. Бактерии второго типа защитной капсулы не имели и потому, как считалось, быстро подавлялись иммунной системой, не имея возможности вызывать заболевание.

Гриффит не собирался доказывать наличие горизонтального переноса генов, о котором он не имел никакого понятия. Его целью было создание эффективной вакцины от пневмонии. Но в науке часто бывает так, что сделать хотят грозу, а получают козу. Смешивая убитые нагреванием пневмококки первого типа с условно-безопасными живыми пневмококками второго типа, Гриффит получил не просто заразную, а прямо-таки убийственную разновидность бактерий, которая вызывала у мышей пневмонию со смертельным исходом.

Как вредные мертвецы могли повлиять на безвредных живых, причем так, что вредность их превзошла все границы? Вывод напрашивался сам собой – живые пневмококки второго типа получили от мертвых пневмококков первого типа какое-то супероружие. Ну мы-то с вами понимаем, что живые бактерии получили от мертвых молекулы ДНК, кодирующие образование защитной оболочки (нагревание убило бактерии, но не уничтожило их ДНК). Сами по себе пневмококки второго типа были гораздо более патогенными, то есть вредоносными. Но они не имели возможности «показать себя во всей красе», то есть вызвать заболевание, поскольку мышиная иммунная система уничтожала их сразу же после попадания в организм мыши. А любому болезнетворному микроорганизму для того, чтобы вызвать заболевание, нужно размножиться в организме-хозяине до определенных пределов. Один в поле не воин – это про микроорганизмы. Защитная капсула позволила пневмококкам второго типа проявить свои болезнетворные свойства в полной мере.

Клеточное ядро имеет оболочку, через которую транспозонам эукариотических клеток проникать довольно затруднительно. А у прокариот нет ни ядра, ни оболочки, поэтому их транспозонам гораздо легче «уйти на сторону», то есть покинуть «родную» бактерию и проникнуть в другую. А еще перенос генов из одной клетки в другую могут осуществлять вирусы. Проникнув в клетку, они могут захватить часть клеточной ДНК и передать ее следующей своей жертве. Обычно пораженные вирусом клетки гибнут от истощения, вызванного «тиражированием» вируса за счет клеточных ресурсов, но некоторые клетки могут выжить, сохранив при этом гены, занесенные вирусом извне (мы сейчас все предельно упрощаем, чтобы не путаться во множестве терминов, понятных лишь генетикам высшего дана, но в целом суть остается той же). Процесс переноса ДНК между клетками при помощи вирусов называется трансдукцией. Трансдукция – один из основных методов генной инженерии. Словосочетание «векторная вакцина» всем знакомо? Вектором в генетике называется вирус, доставляющий в клетку генетический материал или какой-то белок.

Бактерии способны обмениваться молекулами ДНК не только путем трансформации, то есть захвата свободных молекул из внешней среды, но и путем конъюгации – переноса молекул ДНК при непосредственном контакте. Две бактерии сближаются и объединяют свои внутренние среды при помощи белковых трубочек, по которым осуществляется перенос молекул ДНК.

Среди бактерий встречаются внутриклеточные паразиты, которые поселяются в других клетках. Между таким паразитом и хозяином может происходить обмен наследственной информацией, как в случае гибели паразита и разрушения его оболочки, так и при его жизни, ведь небольшие молекулы ДНК и, тем более, их «прыгающие» фрагменты способны проникать через клеточные мембраны.

Существует гипотеза (кстати говоря, выглядящая весьма достоверной), согласно которой способность захватывать молекулы ДНК из внешней среды активизируется у бактерий в неблагоприятных условиях, например, при резком изменении температуры окружающей среды или же при нехватке пищи. Утопающий за соломинку хватается, говорят в народе. Чужая ДНК служит бактериям «соломинкой»: вдруг удастся получить свойство, которое поможет выжить? Если пойти немного дальше, то можно предположить, что конечной целью конкурентной борьбы между бактериями является не только вытеснение соперника из общей экологической ниши, но и получение его ДНК. А что? Вполне возможно. Жаль только, что у бактерий спросить нельзя.

Если горизонтально перенесенный ген приносит новый признак, то в этом случае все ясно и никаких вопросов не возникает. А что бывает в тех случаях, когда горизонтально перенесенный ген гомологичен уже имеющемуся у организма? В этом случае произойдет замещение одного гена другим, или же приобретенный ген останется «про запас», будет присутствовать в геноме в неактивном виде. Мало ли что может случиться с действующим, функционально активным геном? Вдруг его «испортит» какая-то мутация… Хорошо, когда под рукой есть запасной ген.

Вот вам вопрос на сообразительность: может ли горизонтальный перенос генов, полезный для отдельного организма, оказаться вредным (невыгодным) для биологического вида в целом? Ответ вы найдете в конце главы.

Сравнение геномов различных биологических видов выявило много сходства там, где его, казалось, быть не должно, то есть у организмов, находящихся на совершенно разных «дорогах» эволюции [36]   Подобно тому, как у каждого человека есть свои индивидуальные отпечатки пальцев, для каждого генома характерны определенные комбинации нуклеотидов, которые повторяются с определенной частотой. Наличие фрагментов с нехарактерными комбинациями свидетельствует о имевшем место в прошлом горизонтальном переносе генов. Местоположение гена также может быть характерным (условно-естественным) или нехарактерным, свидетельствующим о горизонтальном переносе. Короче говоря, все познается в сравнении. . Вывод о том, что горизонтальный перенос генов является одним из главных механизмов видообразования, напрашивается сам собой. А в незапамятные времена, когда еще не существовало многоклеточных эукариот, горизонтальный перенос генов был не одним из главных, а основным механизмом видообразования. Чем не угодили переносу многоклеточные эукариоты? Это перенос им не угодил. По мере усложнения строения организма его генетический аппарат также усложняется и становится все более защищенным от «несанкционированного» внедрения чужих генов.