Эдвард Стил - Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

Рис. 1.1. Теория пангенезиса Чарльза Дарвина, 1868. Теория пангенезиса предложена Чарльзом Дарвином для объяснения причин биологической изменчивости, на которую действует естественный отбор. Основная идея его теории «упражнения и неупражнения» заключается в повышении активности органа-мишени, вызванной стимулами внешней среды (например, токсинами в изменившейся пище). Измененная метаболическая активность ткани-мишени (в данном случае, печени) приводит к приспособлению, далее, согласно теории, из этого органа выделяются «геммулы», или «пангены», которые попадают в кровеносную систему и из нее в половые клетки. Таким образом, измененная функция органа фиксируется в половых клетках и наследуется потомками. Следовательно, Дарвин предположил ламаркистский механизм генетической передачи приобретенных признаков.

В 1868 г. Дарвин пришел к заключению, что соматические изменения, появляющиеся в результате специфического приспособления, стимулируют клетки органа-мишени к выделению некоего наследственного материала в форме, которую он назвал геммулами (или пангенами). Геммулы — это представители каждой нормальной или измененной части тела. Онивыделяются активным органом в кровоток, и, циркулируя по телу, могут попадать в половые клетки и передаваться следующему поколению. Рис. 1.1 иллюстрирует теорию пангенезиса Дарвина. Как мы покажем в следующих главах, Дарвин предвидел не только естественный отбор случайных изменений, но и роль выделяемых телом геммул, записывающих наследуемый эффект, как мы говорим сейчас, на ДНК зародышевой линии.

В 1977 г. Тед Стил предложил гипотезу соматического отбора, которая представляет собой современную молекулярную точку зрения на идею пангенезиса (Steele, 1977). Согласно этой гипотезе, эволюция генов вариабельных участков антител происходит через преодоление вейсмановского барьера, т. е. в результате обратной связи генов сомы (тела) и зародышевой линии. Этот механизм допускает появление новых генетических вариантов в ответ на внедрение микробов из внешней среды. Таким образом, гипотеза соматического отбора представляет собой версию ламарковского наследования, основанную на современных молекулярных данных. Вначале эта идея многими была признана как «еретическая». Однако появившиеся за последние двадцать лет данные изменили отношение к ней. Сейчас нет сомнений в том, что в результате активации антигенами вторгнувшегося инфекционного агента гены, кодирующие белки (антитела), необходимые для распознавания чужеродного агента, подвергаются в соматических клетках быстрому мутиро-ванию (гипермутированию). Самые последние исследования подтверждают то, что мутантные гены антител попадают в ДНК зародышевой линии в результате процесса обратной транскрипции. На рис. 1.2 показано, как соматические изменения могут включаться в ДНК половых клеток.

Рис. 1.2. Предполагаемый механизм соматического отбора в иммунной системе.

1. Множество разнообразных В-лимфоцитов существует до того, как чужеродный антиген попадает в организм. Каждая клетка экспесси-рует на своей поверхностной мембране антитела одной специфичности. Гены вариабельной V-области кодируют те участки антитела, которые образуют антигенсвязывающий центр (как показано на рисунке). Чужеродный антиген связывается с В-клетками, имеющими комплементарное антитело — таким образом, эти клетки «отбираются» в дарвиновском смысле («клональная селекция»).

2. После связывания антигена В-клетка активируется и делится, давая потомков, которые в свою очередь тоже делятся. В результате образуется множество идентичных дочерних клеток — клон. Все клетки клона экспрессируют одинаковые антитела («клональная экспансия»). В отдельных клетках этого клона гены вариабельной области могут мутировать (соматические мутации). Эти клетки в свою очередь могут быть отобраны антигеном для образования нового клона.

3. Внутри клеток клона создаются РНК-копии генов вариабельной V-области. Зрелые молекулы информационной РНК переходят в цитоплазму, где они транслируются в последовательности аминокислот, составляющие белковые цепи антитела

4. Молекулы РНК V-генов (ядерные или цитоплазматические) могут «захватываться» безвредными эндогенными РНК-ретровирусами (продуцируемыми клеткой). Вирусный фермент обратная транс-криптаза может синтезировать ДНК-копию этой РНК (эта копия ДНК называется ретротранскриптом, или кДНК).

5. Копии V-генов антител с помощью вирусов переносятся в сперматозоиды или яйцеклетки, встраиваются в ДНК половых клеток (зародышевой линии) и передаются потомкам, (см. гл. 6)

Открытие в конце 1950-х г. Говардом Теминым (Temin) феномена обратной транскрипции поначалу вызвало сомнение. Однако после присуждения в 1975 г. Темину и Балтимору (Baltimore) Нобелевской премии этот процесс признан всеми как важный элемент репликации ретровирусов (таких, как ВИЧ) и некоторых других событий в клетке. (Свое название ре-тровирусы получили вследствие того, что у них поток генетической информации направлен от РНК к ДНК, т. е. в направлении, обратном существующему во всех живых клетках — от ДНК к РНК.) Главная цель этой книги — показать, как новые данные молекулярной генетики разрушают построения неодарвинистов, рассматривающих отбор случайных генетических вариантов в качестве единственного фактора эволюционных изменений. Мы хотим доказать актуальность новой теории эволюции иммунной системы, основанной на объединении концепций Дарвина и Ламарка.

Почему же точка зрения Ламарка вызвала столько споров? В наши планы не входит полный анализ этого вопроса, однако некоторые исторические моменты борьбы дарвинизма и ламаркизма все же следует отметить. Во-первых, в 1885 г., через три года после смерти Дарвина, немецкий биолог Август Вейсман (Weismann), отвечая на вызов, брошенный теорией пангенезиса, провозгласил существование барьера между соматическими и половыми клетками (рис. 1.3), защищающего половые клетки от любого изменения тела. Вейсман пытался проверить, могут ли наследоваться приобретенные родителями увечья. Например, он вырезал аппендикс или другую ткань и показывал, что потомство не наследует этих нарушений. Но любой мыслящий человек и без этого знает, что иудейская традиция обрезания ни разу не привела к рождению мальчика без крайней плоти. Вейсман провел и другие эксперименты, в частности, с гидрой (Hydra). Однако наиболее известна его работа по отрубанию хвостов у только что родившихся крысят. В длившихся много поколений экспериментах Вейсман показал, что отрубание хвостов никогда не приводило к появлению бесхвостого потомства. Ученые, критиковавшие этот эксперимент, указывали, что такими опытами нельзя проверить идею Ламарка. Короткий обрубленный хвост — это модификация, индуцированная не крысой. А по Ламарку наследоваться могут только модификации, индуцированные ответом организма на условия среды. Если бы Вейсман изучал поведение потомков от крыс, лишенных хвостов, он вполне мог бы наблюдать мелкие наследственные модификации поведения (например, при кормлении, чистке, передвижении).