Михаил Голубовский - Век генетики: эволюция идей и понятий

Пожалуй, самым замечательным из известных примеров природной генетической инженерии является симбиоз между почвенными бактериями рода Agrobacterium и двудольными растениями. Бактерия А. tumefaciens вызывает опухолевое разрастание — корончатые галлы на границе стебля и корня. А бактерия A. rhizogenes вызывает заболевание "бородатый корень" — сверхнормальное разрастание корней в пораненном участке, инфицированном бактерией. Оба феномена были известны еще с начала века, но расшифрованы лишь в 80-е годы и были образно и точно названы "генетическая колонизация".

Галлы и разрастания вызываются горизонтальным переносом — встраиванием в клетки корня растения-хозяина опухолеродного мультигенного сегмента ДНК из плазмид, которые как факультативный элемент содержатся в природных популяциях бактерий. Опухоль синтезирует производные аргинина, которых нет у растения-хозяина и структура которых полностью определяется штаммом бактерий. Они необходимы для роста бактерий. Agrobacterium представляет собой утонченного паразита, заставляя зараженное растение (посредством встраивания в геном растения своих генов) превращать часть его запасов аргинина в питательные компоненты, которые инфицирующая бактерия избирательно усваивает (Гейзен и др., 1990).

Поразительно, замечают авторы, что в то самое десятилетие, когда человек начал работать с бактериями с целью заставить их синтезировать животные белки, была обнаружена природная генно-инженерная система, позволяющая бактериям передавать свою ДНК и колонизировать их. С эволюционно генетических позиций поразительно и то, что (а) у обоих видов бактерий, вызывающих галлы и "бородатые корни", опухоли связаны с кольцевыми плазмидами бактерий и с встраиванием части ДНК из этой плазмиды в хромосомы растения-паразита; (б) сами плазмиды из двух видов бактерий совершенно несходны между собой по составу ДНК; иными словами, сценарий генетической колонизации возникал в эволюции независимо и неоднократно. Теперь исследователи успешно пытаются "приручить" созданные природой инструменты для направленной генетической трансформации растений, благо фитопатогенные бактерии рода Agrobacterium относятся к семейству клубеньковых бактерий Rhizobiaceaea, столь важным для увеличения фиксации азота у культурных растений (Генетические основы селекции клубеньковых бактерий, 1990).

Горизонтальная передача генов и их блоков, опосредованная транспозонами и плазмидами, может быть сравнима с передачей от одного народа к другому крупных инженерных изобретений. Особенно велика роль плазмидной миграции генов в случае приобретения у бактерий устойчивости к антибиотикам и способности к санации окружающей среды от биосферных и антропогенных загрязнителей. Так ли уж парадоксален вывод Р. Б. Хесина (1984, с. 104), что не будь в природе плазмид, не было бы не только многих видов бактерий, но и нас, "поскольку мы бы уже отравились продуктами своей мощной химической промышленности, которые бы не обезвреживались бактериями".

Термин вирус этимологически обозначает яд. Вплоть до 60-х годов вирусы преимущественно рассматривались как болезнетворное начало. Но уже изучение взаимодействия в системе фаг — бактерия показало сложный спектр отношений с возможным внедрением фага в хромосому, переходом его в ранг плазмиды, приданием новых свойств клетке хозяина и т. д. Изучение вирусов эукариот, открытие большого сходства мобильных элементов с вирусами, а затем повсеместное распространение вирусных последовательностей в геноме каждого изученного вида млекопитающих изменило представление о вирусах. Они зачастую составляют факультативный элемент генотипа.

Представление о повсеместности вирусов в биосфере, высказанное в середине 70-х годов (Жданов, Тихоненко, 1975), в настоящее время полностью подтверждено. По образному замечанию К. Г. Уманского (1981), стоит только начать целенаправленно изучать какой-либо 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)". У человека только в клетках кишечника число обнаруженных в норме и при патологии вирусов больше 120. К 70-м годам в новом свете предстали респираторные заболевания. "Кажущаяся бесконечной последовательность простудных заболеваний, переносимых большинством горожан, является отражением серии малых эпидемических вспышек, каждая из которых связана с вирусом одной из групп, способных вызвать этот синдром или с каким-либо из серотипов риновирусов" (Биология вирусов животных, 1977).

Целенаправленное изучение путей распространения вирусов в природе (то, что называется "environmental virology" и лучше всего перевести как биоценотическая вирусология) вызвало в начале годов 80-х "новую эру в медицинской вирусологии" (Metcalf, et al., 1995). Такие вирусы, как вирус полиомиелита, которые из — за своего видимого патогенного эффекта считались исключительно нейротропными, оказались обнаруженными в сточных водах и, стало быть, входят в группу энтеровирусов. Сточные воды оказались источником вспышки одной из форм вирусного гепатита, детского гастроэнтерита.

Пути распространения вирусов в биоценозах и соответственно пути горизонтального межвидового переноса поразительны (Воинов, 1974). Достаточно сказать, что РНК-содержащий вирус гриппа переносится водоплавающими перелетными птицами, он обнаружен у китов и у планктонных организмов (Жданов, 1990). Исследования С. М. Гершензона и его последователей (Гершензон, Александров, Малюта, 1975) показали, что РНК вируса гриппа вызывает летальные мутации сразу в нескольких локусах хромосомы 2, причем летали именно в этих локусах чаще других распространены в природных популяциях дрозофил (Александров, Голубовский, 1983).

Эволюционные аспекты повсеместностного распространения (убиквитарности) вирусов в природе достойны обсуждения с разных сторон: Вирусы как самый мощный селективный фактор в природе и самый мощный генератор наследственного полиморфизма, возникающего в результате популяционно-генетических взаимодействий типа паразит — хозяин. Эта идея была выдвинута и всесторонне обоснована Эфроимсоном еще в 60-е годы (Эфроимсон, 1971). По предположению Р. Л. Берг, сходные векторы отбора к инфекционным вирусам могут вызывать параллелизм в составе генофондов относительно изолированных и удаленных популяций, в пользу чего были получены косвенные данные в многолетних популяционно-генетических наблюдениях на дрозофиле (Голубовский и др., 1974; Александров, Голубовский 1983).

Дальнейшее воплощение идея Эфроимсона нашла в переносе популяционно-генетических взаимоотношений типа паразит — хозяин на внутриорганизменный уровень. Рассматриваются модели коэволюции вирусных антигенов и иммунной системы защиты хозяина, одним из компонентов которой является соматическая гипермутабильность иммуноглобулиновых генов (Родин, Ржецкий, 1990).