Знание – сила 2000 04

Это и есть процесс передачи «сигнала» из окружающей клетку среды к ее наследственным молекулам. Упомянутый каскад внутриклеточных реакций, вызванный таким сигналом, может, например, привести к тому, что на какой-то ген наследственной молекулы сядет молекула белка, блокирующая или, наоборот, усиливающая его работу. А это уже, в свою очередь, влияет на темп роста клетки, характер метаболизма в ней, процесс ее деления или даже ее специализацию в ходе эмбрионального развития. Дело в том, что специализация клеток эмбриона (то есть превращение их в клетки глаза или сердца) напрямую зависит от того, какие гены в ее наследственной молекуле включены, а какие заблокированы.

Вернемся, однако, к защитному белку HSP-90. Где его место в нарисованной картине передачи сигналов? Оказывается, сигнальные рецепторы очень неустойчивы. Грубо говоря, та цепь звеньев-аминокислот, которая составляет их «хвост», «тельце» и наружную «чашечку», имеет тенденцию менять свою форму под воздействием даже небольших изменений, например, в результате мельчайших изменений в составе этой цепи вроде случайной (в результате «точечной» мутации) замены одной аминокислоты на другую. Понятно, что такое изменение формы «чашечки» влияет на ее способность узнавать нужную «сигнальную молекулу» и соединяться с ней. В результате сигнал либо вообще не поступает в клетку, либо поступает «искаженным» и вызывает иные последствия в наследственных молекулах. Развитие клетки (а порой и организма в целом) может пойти по «аномальному» пути. Для того чтобы этого не произошло, природа и «придумала» защитный белок HSP-90. Вторая его функция (кроме защиты от теплового шока) состоит как раз в том, чтобы удерживать рецепторы – передатчики сигналов в той конформации, которая необходима для нормального приема и передачи сигнала. Упрощенно действие этого белка можно представить себе как чисто механическое (на самом деле, оно химическое) удерживание «чашечки» рецептора в нужной форме до момента прихода сигнальной молекулы.

Эта роль HSP-90 была первоначально обнаружена при изучении дрожжей. Было установлено, что при нормальной температуре искусственное (путем химического воздействия) понижение концентрации этого белка в организме дрожжей влечет за собой полное прекращение передачи в клетки сигналов от тех рецепторов, которые обычно связаны с молекулами HSP-90. То же самое происходит, если вместо искусственного снижения концентрации HSH-90 просто повысить температуру окружающей среды. Оно и понятно: при повышении температуры часть молекул этого белка отвлекается на защиту клетки от теплового шока, а оставшихся молекул, видимо, недостаточно для стабилизации сигнальных рецепторов. Иными словами, при любом – чисто химическом или тепловом – уменьшении числа молекул HSP-90, обслуживающих сигнальные рецепторы, происходит то или иное нарушение нормальных сигнальных путей.

К чему же ведет такое нарушение? Резерфорд и Лундквист решили выяснить это на примере плодовых мушек, знаменитых дрозофил. В нескольких лабораториях было обнаружено, что у дрозофил можно вызвать такую мутацию в одной из их наследственных молекул, что в результате образующийся в их организме белок HSP-90 окажется «испорченным». Американские исследовательницы предположили, что это должно повлиять на сигнальные процессы в организмах дрозофил, как влияет на эти процессы снижение концентрации этого белка в организме дрожжей, и задались целью детально изучить последствия таких нарушений. Для этой цели они отобрали коллектив мушек-мутантов с испорченным HSP. Когда они стали скрещивать этих дефектных мушек с обычными, у которых HSP не был испорчен мутацией, то убедились, что заметное число потомков таких пар (дефектный – нормальный) тоже обладает аналогичными дефектами.

Что же могло изменить нормальное развитие мушек с «испорченным» HSP-90? Существовали три возможности. Во-первых, такие мутанты могли оказаться просто более чувствительными к микроизменениям окружающей среды, что и вызвало появление дефектов их эмбрионального развития, – напомним, что этот белок, кроме своего действия на сигнальные рецепторы, защищает клетки и от всяких стрессов, вызванных такими микроизменениями.

Во-вторых, могло статься, что HSP-90 каким-то образом участвует в контроле за удвоением наследственных молекул при делении клеток, тогда при его отсутствии или порче это удвоение могло происходить не вполне точно, с генетическими ошибками.

Наконец, была и третья, самая интересная возможность: в аминокислотных цепях сигнальных рецепторов могли существовать какие-то скрытые мутации, какие-то замененные аминокислоты, – напомним, что такие замены, как мы уже говорили, как раз и вызывают нежелательные изменения формы рецептора. Пока белок HSP-90 «насильственно» удерживал рецептор в нужной (нормальной) форме, влияние этих скрытых мутаций не могло проявиться, но как только его стабилизирующее наружное действие было устранено (из-за его порчи), эти скрытые мутации дали о себе знать. Они изменили форму рецептора, это повлияло на передачу сигналов, а искаженные сигналы вызвали аномальное развитие клеток. Как уже было описано выше, клетки эмбриона, которые должны были получить сигнал на специализацию в клетки глаза, при искажении сигнала могли специализироваться в клетки конечностей и т.п.

Почему третья возможность – «самая интересная»? Потому что в этом случае вырисовывается вероятная картина молекулярного механизма ускоренной эволюции под стрессом: стресс отвлекает часть молекул HSP-90 от задачи стабилизации сигнальных рецепторов, это позволяет «проявиться» сразу всем тем скрытым мутациям, которые накоплены в сигнальных рецепторах за предшествующие поколения; а проявление сразу большого числа ранее накопленных мутаций как раз и обеспечивает то ускоренное возникновение многочисленных разновидностей, которое никак нельзя было объяснить одновременным появлением всего этого множества мутаций как раз в процессе стресса.

Иными словами, загадка ускоренной эволюции под стрессом решалась бы именно тем, что эта быстрота обусловлена не одновременным появлением множества новых мутаций, а одновременным проявлением множества мутаций, накопленных ранее, но до поры до времени (стресса) скрытых.

Теперь мне остается лишь сказать, что последующие эксперименты Резерфорд и Лундквист подтвердили именно эту, третью возможность.

Попутно выявилось еше одно интереснейшее обстоятельство. Оказалось, что если скрещивать дефектных мушек до шестого-седьмого поколения, то проявление некоторых дефектов (например, глаза и крыла) перестает зависеть от наличия или отсутствия HSP-90. Как это понимать?