Михаил Голубовский - Век генетики: эволюция идей и понятий

Наконец, третий тип мультигенных семейств — это гены, гомологичные копии которых не образуют скоплений, а разбросаны по хромосомам.

Организация активных генов в семейства имеет важный функциональный смысл. Некоторые генные продукты необходимы в больших количествах в короткое время. Например, процессы дробления идут очень быстро и для этого необходимо большое число РНК и белков, участвующих в синтезе белка, а также белков типа пистонов, организующих упаковку ДНК в нуклеопротеидные комплексы или хроматин. Организация генов в семейства с близкими, но не идентичными генами, активными в разных тканях или в разное время, может обеспечить наилучшие возможности для переключения их активности в онтогенезе. С точки зрения эволюции, генные семейства указывают на ведущую роль принципа дупликации генов и их последующей дивергенции для нормального онтогенеза многоклеточных организмов (Рэфф, Кофмен, 1986).

Хромосома, как и предсказывал Гольдшмидт, оказалась организована в более сложные функциональные блоки, чем просто генные локусы или единицы транскрипции с обслуживающими ее последовательностями, с которыми еще вплоть до 90-х годов ассоциировалось понятие "ген" (Георгиев, 1989). По аналогии с доменами белков выделяют дискретные, сверхспирализованные участки хромосом, отграниченные от других доменов сайтами ДНК, чувствительными к эндонуклеазам (King, Stansfield, 1997). Функционально активные домены, где нить ДНК деспирализована, и гены транскрипционно активны, включают в свой состав особые сегменты ДНК — инсуляторы, которые делают данный домен недоступным действию посторонних энхансеров (Gerasimova, Corces, 1996).

Для концепции гена, как некоей линейно неразрывной функциональной единицы возникает новая трудность. Она состоит в том, что функциональные домены могут собираться из пространственно разобщенных участков хроматина, которые "выпетливаясь", ассоциируются в пространственно сложные посадочные места для связывания белков, либо активирующих, либо репрессирующих транскрипцию. Точно так же, как активные центры в белках собираются из аминокислот, удаленных друг от друга в полипетидной цепи. Какая граница дискретности-бконтинуума хромосомной нити будет в таком случае соответствовать гену?

В табл. 3 проведено сопоставление основных положений или постулатов классической и современной генетики о принципах организации наследственной системы и характере ее изменчивости. Различия — радикальные!

Классическая генетика

1. ДНК — хранитель наследственной информации; структура ДНК — код, все ее изменения функционально важны. Чем больше ДНК в геноме, тем больше генов. Многообразие форм в природе есть отображение многообразия ДНК.

2. Центральная "догма": поток информации однонаправлен: ДНК — РНК — белок. ДНК — метаболически инертна.

3. Колинеарность: физический размер гена у прокариот соответствует размеру кодируемого им белкового продукта.

4. Ген занимает определенный локус в хромосоме и находится в одной или строго определенном числе копий у всех особей вида.

5. Репликация ДНК происходит только в ядре клетки.

6. В клетках иногда встречаются внехромосомные элементы — плазмиды, способные встраиваться в хромосому.

7. Некоторые фаги бактерий способны встраиваться в хромосому и существовать в ней в форме профага, а также переносить гены из одной бактерии в другую.

8. Виды — генетически замкнутые системы. Симбиоз — редкое, исключительное явление.

"Подвижная" генетика

1. В хромосомах эукариот есть разные, заведомо неинформативные, нуклеотипные фракции ДНК, состоящие из многократных повторов. Близкие виды могут сильно отличаться по составу и количеству ДНК, имея одно и то же число генов.

2. Канал РНК — ДНК обычен; РНК способна быть ферментом; белки регулируют стабильность ДНК и структуру хроматина.

3. У эукариот ген мозаичен: есть экзоны и интроны, которые вырезаются из матричной РНК. Возможно "редактирование" мРНК.

4. Есть серии мобильных факультативных элементов; гены могут амплифицироваться, менять число своих копий и переходить во внехромосомное состояние.

5. В цитоплазме кроме автономно реплицирующихся ДНК митохондрий и пластид есть разные ДНК и РНК носители.

6. Плазмиды, кольцевые или линейные самореплицирующиеся сегменты ДНК и РНК, обычны для клеток про- и эукариот.

7. У всех эукариот происходит регулярное встраивание в хромосому сегментов РНК и ДНК-содержащих вирусов. Вирусы — универсальный вид мобильных элементов.

8. Наследственные системы эукариот полигеномны. Симбиоз и горизонтальный перенос — регулярные события.

Фактическое обоснование всех указанных в таблице 3 представлений в новой "подвижной" генетике подробно представлено в монографии Р. Б. Хесина (1984). С позиций истории науки уместно привести свидетельства биологов, чьи убеждения сложились в рамках классической генетики. Вот как они восприняли новую систему взглядов о непостоянстве генома.

Приведу два отрывка из писем к Р. Б. Хесину в связи с выходом его книги (Из архивных материалов Р. Б. Хесина в Институте молекулярной генетики РАН, любезно предоставленных В. А. Гвоздевым):

1) Ботаник, физиолог растений и эволюционист академик А. Курсанов, 4.04.1984 г.: "Проблема, которую Вы так фундаментально освещаете, потрясает основы нашей веры в незыблемость генома. А к этому не может остаться безразличным ни один раздел биологии. Возможно, что учение о плазмидах внесет существенные коррективы в эволюционное учение".

2) Известный цитолог В. Я. Александров, 12.05.1984 г.:

"Я редактировал книгу В. Д. Жестянникова "Репарация ДНК и ее биологическое значение" (1979) и умилялся тому, как клетка заботится, чтобы в геноме все было в полном порядке. Теперь вызывает удивление, как вообще могут формироваться и существовать особи при всех тех вольностях, которые клетка позволяет геному. Хоть по кусочкам мне были известны отдельные стороны непостоянства генома, все же книга меня ошеломила. Она внесла существенные коррективы в мои общебиологические представления".

В этих двух независимых, экспертных, как говорят социологи, оценках важны указания, во-первых, на элемент веры в прежних представлениях о постоянстве генома, во-вторых, на необходимость резкой смены генетических представлений и, в-третьих, высказано убеждение о большом влиянии этой смены парадигм на эволюционные и общебиологические представления.