Михаил Голубовский - Век генетики: эволюция идей и понятий

Из основного тезиса об информационном давлении вытекает ряд следствий, которые в классической СТЭ одно время считались неприемлемыми для серьезного рассмотрения или даже абсурдными (Кордюм, 1982, с. 119):

1) количество и качественный состав ДНК в близких таксонах и организмах непостоянны;

2) геном состоит из фенотипически проявляемой и потому до поры до времени постоянной части и фенотипически не проявляемой, молчащей;

3) должен существовать механизм включения экзогенного наследственного материала в геном и его выключения из генома, т. е. элиминация молчащей ДНК;

4) количество молчащей ДНК в геноме и, как следствие, механизм включения — выключения должны сказываться на эволюции данного таксона;

5) поскольку существуют специализированные системы переноса информации, геном должен содержать определенные следы блочности, так как он является не монолитной, а наборной структурой.

Можно с определенностью утверждать, что в основном эти следствия нашли экспериментальное подтверждение в рамках сравнительной молекулярной генетики (Хесин, 1984). Интересно соображение В. А. Кордюма, что у свободных, не интегрированных в хромосому хозяина факультативных элементов ускоряются процессы изменчивости и регуляции генной активности. Ибо "почти нет ограничения на преобразование информации, и как только она окажется полезной, начинает действовать отбор. И уже осмысленная новая нужная организму информация, включенная в геном, сможет подвергнуться окончательной "доработке на соответствие" (с. 137). Таким образом, мобильные элементы, от транспозонов до вирусов, по мысли автора, представляют своеобразный полигон, испытательный стенд эволюции.

Как действует система противоинформационной защиты? Введение и обоснование этого понятия несомненно эвристично и продуктивно для молекулярной эволюционной генетики. Возникает целая новая область исследований: сравнительная генетика систем противоинформационной защиты. Элементы этой защитной системы, способные меняться в разные периоды жизни вида и разные периоды онтогенеза таковы: барьер клеточной проницаемости; агенты, подавляющие функционирование экзогенной нуклеиновой кислоты (например, интерферон); внутриклеточные нуклеазы; системы узнавания и репарации; системы рестрикции и модификации, позволяющие отличить свою ДНК от другой.

В критические периоды жизни популяции, при состояниях стресса, защитные функции ослабевают, и среди них прежде всего те, которые отвечают за регуляцию поступления и степень блокирования экзогенного генетического материала. Это приводит к усилению притока экзогенной ДНК и ослаблению систем надзора, обеспечивающих в норме молчание чужеродной ДНК. В итоге резко возрастает степень изменчивости. Нетрудно видеть здесь сходство с соображениями Б. МакКлинток (McClintock, 1978, 1984) об активации систем, перестраивающих геном в периоды стресса и представление о системах "природной генетической инженерии" (Shapiro, 1992, 1995). Таким образом, концептуальное выделение информационного фактора в эволюции, основу которого составляют неканонические способы наследственной изменчивости, расширяет сферу изучения изменчивости и способствует целенаправленному анализу в этой области.

Ю. А. Филипченко в свое время высказал мнение, что "в эволюции играли главную роль какие-то внутренние силы, заложенные в самих организмах", а различные внешние силы, — условия среды, отбор — причины второго порядка. Один из источников этих внутренних сил заключается в линейной структуре ДНК и особенностях протекания матричных и генетических процессов, которые создают тенденцию к увеличению размера генома и возрастанию в нем доли разного рода факультативных элементов. Среди них особое значение имеют разные фракции повторенной ДНК и семейства мобильных элементов.

Наращивание доли неинформативной ДНК или ФК элементов основано на ряде автогенетических молекулярных механизмов, таких как: а) способность линейной структуры ДНК реплицировать любой встроенный дополнительный сегмент ДНК, независимо от того, взят он от своего или чужого вида, б) непрерывное образование дупликаций за счет ошибок гомологичной рекомбинации, в) резкое увеличение частоты вторичных дупликаций в данном районе после появления первой случайной, г) приобретение свойства взрывной репликации некоторыми специфическими повторами и, наконец, д) заселение генома разного рода мобильными элементами, включая вирусы, которые имеют специальные структуры и специальные ферменты для транспозиции.

Автогенетическая тенденция к наращиванию длины ДНК, приводя к рассмотренному выше С-парадоксу, проявляется в самых разных филетических линиях и может, в свою очередь, определять направление и особенности макроэволюции (Эволюция генома…, 1986; Бирштейн, 1987; Бердников, 1981, 1990). Неспецифические влияния одной только массы или размера неинформационной ядерной ДНК на физиологические свойства клеток и организмов английский цитогенетик М. Беннет в 70-х годах предложил называть "нуклеотипными".

Репликация и репарация избыточной ДНК в клетке требует значительных энергетических затрат. Это имеет важные морфо-функциональные последствия. Работая с растениями, М. Беннет обнаружил, что масса ДНК пропорционально связана с продолжительностью мейоза, а это, в свою очередь определяет продолжительность генерации. Виды с высоким содержанием ДНК характеризуются замедленным развитием, они встречаются чаще среди многолетников и не могут быть эфемерами. Скопления блоков повторенной ДНК в теломерных районах хромосом ржи задерживает время развития семян, возможна селекция на "сброс" ДНК в этих районах.

Гаплобионтные микроорганизмы достаточно легко манипулируют размерами геномов, регулируя тем самым темп своего размножения и уровень изменчивости. Так, в роде водорослей хламидомонад Chlamydomonas обнаружены следующие сценарии манипуляции геномами: эндополиплоидизация в результате задержки кариокинеза после синтеза ДНК; соматическая гибридизация в ходе вегетативного размножения клеток; утрата зиготической редукции после копуляции гамет; копуляция трех или большего числа гамет; копуляция полиплоидных гамет. При всех этих событиях временно увеличивается размер ядра и понижается относительная доля цитоплазмы. Как справедливо замечают авторы, — "генетический анализ особенностей нуклеотипных изменений ДНК — практически не начатая глава формальной генетики" (Квитко, Чемерилова, 1982, с. 135): При автополоиплоидии у растений простое кратное изменение числа хромосом приводит к глубоким морфо-функциональным изменениям на клеточном и организменном уровне. Совершенно не ясны ключевые этапы этих изменений.