Михаил Голубовский - Век генетики: эволюция идей и понятий

Истолкование происхождения этих генотрофов следующее: у чувствительных к резкому сдвигу режима питания генотипов происходят изменения в числе и топографии ряда факультативных фракций генома. В результате меняется характер регуляции разных генов. На уровне фенотипа это приводит к наследуемым фенодевиантам и вариациям количественных признаков. Такого рода наследственные изменения нельзя отнести к мутациям. Это типичные вариации, которые являются массовыми и сходно направленными. Изменения факультативных элементов генома в ответ на стресс найдены и в случае отдаленной гибридизации и при выращивании растений из культуры клетки (Каллис, 1990).

Изменения в рамках динамической памяти, т. е. связанные с переключением эпигенов, убедительно показаны исследованиями на простейших. Если бы генетика с самого начала изучала процессы изменчивости на простейших, то ее облик был бы иной.

У простейших каждая особь в одно и то же время и одна клетка, и индивид, проходящий последовательные стадии онтогенеза. Поэтому снимаются трудности разграничения воздействий на сому и зародышевый путь. При исследовании амеб оказалось, что эпигенетический контроль выявляется у большинства признаков. В опытах А. Л. Юдина и его коллег (Юдин, 1983) сначала селектировались линии с четко различимыми функциональными и биохимическим признаками. Эти признаки в каждой из линий стойко наследовались на протяжении многих вегетативных поколений.

Затем проводились эксперименты, в которых менялись ядерно-цитоплазматические отношения или получались ядерно-цитоплазматические "гибриды": а) трансплантация гетерологичной цитоплазмы, б) обмен ядрами, в) подсадка ядра из другой линии с последующим его удалением, г) разного рода внешние воздействия. Во всех этих ситуациях удалось дестабилизировать проявление большинства изучаемых признаков, которые либо переходили в альтернативное состояние, либо переключались время от времени из одного состояния в другое. А. Л. Юдин справедливо объясняет подобные объяснения эпигенным контролем выражения изучаемых признаков и наличием в цитоплазме регуляторных молекул, способных вызвать переключение эпигенов с одного режима на другой (Юдин, 1983, с. 171–175).

Из теории эпигенов следует, что если ген-регулятор активирует свою транскрипцию, но его продукт биохимически блокирован, то снятие этого блока определенным внешним воздействием может переключить режим работы эпигена. Именно такого рода явления были обнаружены в случае наследственного переключения серотипов (антигенных вариантов) у парамеции. У парамеций известно двенадцать эпигенетически контролируемых вариантов поверхностных антигенов. Каждая особь проявляет один из вариантов, и это свойство клонально наследуется. Однако, при однократном действии резких факторов среды возможно переключение с одного антигена на другой. Например, под действием температуры 36 °C в течение 5 часов практически у 100 % особей происходит переключение с антигена 41G на антиген 41D. Это новое состояние клонально наследуется. Можно подобрать условия среды, при которых произойдет возврат к исходному антигену (Нэнни, 1960). Аналогичная ситуация найдена у инфузорий дилептусов (Успенская, Юдин, 2000).

Не вызывает сомнений, что подобные эпигенные системы могут определять дискретные выражения самых разных признаков. Тогда в случае, например, 10 разных антигенов, на базе одного и того же генетического текста на уровне ДНК может возникнуть 2 10или 1024 альтернативных варианта генотипа, т. е., генотип может произвести выбор из более чем 1000 возможностей!

По удивительному совпадению практически одновременно в 1953 г. были сделаны два открытия, определившие лицо современной молекулярной и общей генетики: открытие двойной спирали ДНК Дж. Уотсоном и Ф. Криком и концепция лизогении у бактерий, созданная Андрэ Львовым.

Для эволюционной генетики открытие Андрэ Львова, на мой взгляд, имеет не меньшее значение, чем открытие двойной спирали ДНК. Андрэ Львов установил, что в ходе взаимодействия фаг лямбда — кишечная палочка, фаг может встраиваться в хромосому бактерии и передаваться в ряду поколений как ее генетический элемент. Бактерия, включившая фаг в свой геном, называется лизогенной, а встроенный фаг — профагом. Фаги, способные переходить в латентное интегрированное в геном состояние, называются умеренными. Встроив фаг в свой геном, бактерия приобретает иммунитет к заражению. В некоторых случаях состояние лизогении влечет за собой приобретение признаков вполне посторонних, например, изменение вида колоний или изменение поверхностных антигенов (конверсия штаммов).

Небольшой исторических экскурс показывает, сколь революционным было открытие Андрэ Львова. Уже с начала 20-х годов были известны штаммы, способные нести фаги в скрытом состоянии и вызывать лизис у чувствительных штаммов. Однако открыватель бактериофагов Феликс Д'Эррель (1873–1949) смотрел на фаг или вирус как облигатно летальный для клетки агент. Он считал, что культуры лизогенных бактерий просто загрязнены фагом, и от него можно избавиться путем очистки.

Взгляд на лизогению как на "артефакт" разделяли и исследователи школы классика генетики микроорганизмов М. Дельбрюка. Выше уже упоминалась причина. Эти исследователи работали с так называемыми Т-фагами, которые не способны вызвать лизогенное состояние. В силу авторитета школы М. Дельбрюка лизогенией долго скрупулезно никто не занимался. Андрэ Львов после войны возобновил в Пастеровском институте исследования на лизогенном штамме бактерии, и уже в 1953 г. создал стройную теорию лизогении, полностью сохранившую свое значение до настоящего времени (Lwoff, 1953; Жакоб, Вольман, 1962; Стент, Кэлинджер, 1981).

Трансформацию, трансдукцию и лизогению можно рассматривать как три разных способа "паранаследственного" приобретения новых признаков (Жакоб, Вольман, 1962, с. 48). Термин "паранаследственные" был предложен еще в 1925 г. Эженом Вольманом для обозначения явлений приобретения признаков путем заражения. В 1928 г. Эжен Вольман пришел к выводу, что "оба понятия — наследственность и инфекция, казалось бы столь различные и в каком-то смысле даже несовместимые…, при некоторых условиях почти совпадают" (Жакоб, Вольман, 1962, с. 48).

Дальнейшее расширение концептуального поля в этой области связано с работами Джошуа Ледерберга, который в 1952 году ввел понятие "плазмида". Плазмидами Д. Ледерберг предложил обозначать все внеядерные генетические элементы, способные к автономной репликации. Сюда входят вирус "сигма" у дрозофилы, "каппа-частицы" у парамеций, экзогенные вирусы. Взгляд на плазмиды как на симбионты и альтернативный взгляд на них как на составную часть генотипа, согласно Д. Ледербергу, зависит от того, насколько широко исследователь трактует границы генотипа и наследственной системы организма.