Опечатки генетических программ.
Для чего я рассказал эту историю? Мы уже убедились, что в основе жизни лежит матричное копирование, в принципе аналогичное тому же книгопечатанию. Ясно, что в каналах передачи информации от ДНК к признакам организма и от ДНК родителей к ДНК потомков должен существовать какой#x2011;то шум – те же опечатки, только на молекулярном уровне. Каналов без шума не бывает, иное дело, что шум может быть пренебрежимо малым.
Рассмотрим сначала шумы в канале ДНК – ДНК, приводящие к изменению генетических программ. В первую очередь речь у нас пойдет об упаковке генетического материала.
ДНК или РНК простейших вирусов может представлять лишь цепочку нуклеотидов, ничем не защищенную от внешних воздействий (например, от действия ферментов нуклеаз, расщепляющих нуклеиновые кислоты). Однако у сложных вирусов она заключена в белковый защитный чехол.
ДНК бактерий также единичная последовательность. Концы ее стыкуются, и образуется кольцо, похожее на тысячекратно перекрученную ленту Мёбиуса, хорошо известную любителям математики. Ясно что при репликации кольцо это должно разрываться, иначе дочерняя последовательность будет соединена с материнской, как звенья в цепи. К бактериальной ДНК могут присоединиться молекулы белков, но в общем#x2011;то она «голая».
Иное дело у высших организмов с оформленным клеточным ядром. Прежде всего генетическая программа у них – многотомное издание. Если генетическая программа бактерии закодирована в одной молекуле ДНК, одной двойной спирали, то в ядре высших организмов – эукариот – их может быть несколько: от двух у лошадиной аскариды до нескольких тысяч у некоторых одноклеточных организмов – радиолярий и ряда растений. Такие тома называют хромосомами. Считается, что каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК, но крайней мере у животных. Однако есть сильные доводы в пользу того, что у многих высших растений в хромосоме может быть несколько десятков, а то и сотня идентичных копий. ДНК в хромосомах чрезвычайно хитроумно уложена в комплексе со специальными ядерными белками гистонами. Иначе нельзя упаковать в микронные объемы молекулы длиной во много десятков сантиметров.
Наблюдая за хромосомами во время деления клеток, исследователи обнаружили много форм изменения наследственных программ.
Читателям должно быть известно, что при образовании половых клеток хромосомы не делятся, а расходятся в дочерние клетки, так что получаются гаметы с половинным (гаплоидным) набором хромосом. У человека, например, в нормальных клетках 46 хромосом, а в яйцеклетках и спермиях – 23. При слиянии гамет диплоидный набор восстанавливается.
Но так бывает не всегда. Порой механизм, растягивающий хромосомы по дочерним клеткам, не срабатывает. Одна гамета получается совсем без ДНК, а другая с двойным ее набором. Так возникают полиплоидные клетки и организмы; о часто это наблюдается у растений.
Иногда же в одну клетку попадает лишняя хромосома, а в другой обнаруживается нехватка. Такие явления называются анеуплоидией.
При всех этих перестройках генетическая информация, заключенная в хромосомах, не изменяется. Меняется только ее количество. Полиплоидные клетки, например, могут иметь тройной, четверной ит.д.– до тысячи и более раз!– набор генов.
Анеуплоидный геном – это многотомное, но разрозненное издание. В одной клетке не хватает «тома» инструкций (обычно такие случаи у высших организмов летальны) в другой два одинаковых. Организмы с лишней хромосомой (трисомики) также часто гибнут на ранних стадиях развития или же развиваются с серьезными дефектами. Много таких случаев описано относительно человека.
Иногда перестройка может привести к тому, что хромосома распадается на части. Судьба частей различна: они могут потеряться (делеция), снова воссоединиться в составе прежней хромосомы (иногда в перевернутом виде – инверсия) или же присоединиться к другой (транслокация). Все перестройки, как правило, для организма небезразличны.
Все упоминавшиеся изменения хромосом начинаются с разрыва нуклеотидной цепи ДНК – знаменитой двойной спирали. Поэтому мы должны от тех построек, которые видны в оптический микроскоп, перейти на молекулярный уровень.
Насколько прочны фосфодиэфирные связи, скрепляющие полимерную ДНК, и насколько устойчивы пуриновые и пиримидиновые основания в ДНК к внешним воздействиям?
Это удалось установить с достаточной точностью. Чтобы вызвать единичную мутацию – наследственное изменение генетической программы,– требуется подвести каким#x2011;то способом к ДНК энергию в 2,5–3 электронвольта (эВ). Электронвольт – единица энергии: такую энергию приобретает электрон, ускоряемый напряжением в 1 вольт.
Много это или мало? Ведь ДНК в клетке находится в окружении молекул, движущихся с весьма высокой скоростью. Оказывается, что средняя энергия теплового движения молекул при тех температурах, когда жизнь возможна, составляет примерно 1/40 эВ. Иными словами, при физиологических температурах ДНК оказывается достаточно стабильной. Но проблема эта сложнее, чем кажется на первый взгляд.
Не следует забывать, что скорости молекул при хаотическом тепловом движении неодинаковы. Убедиться в этом нетрудно. В 1827 году шотландский ботаник Р.Броун, разглядывая в микроскоп каплю воды с пыльцой растений, обнаружил, что взвешенные в жидкости пыльцевые зерна микронного размера не остаются на месте, а хаотически движутся как бы непрерывно подталкиваемые беспорядочными ударами чего#x2011;то невидимого.
Достойно удивления, что Броуново движение не привлекало внимания физиков (может быть, потому, что открыл его ботаник?) до начала нашего века, до исследований Альберта Эйнштейна, польского физика Мариана Смолуховского и французского физика Жана Перрена. А ведь из него не только вытекала непреложность существования молекул, но и возможность оценить их скорости и размеры!
Что происходит с частицей при броуновском движении? Со всех сторон она подвергается ударам молекул. Если она имеет достаточно большие размеры, то удары со всех сторон оказываются скомпенсированными – частица остается на месте. Но если размер ее, допустим, 10–5см, то весьма вероятно, что с какой#x2011;либо стороны суммарный импульс будет больше, и частица сдвинется в непредсказуемую сторону.
Иначе и быть не может: ведь скорости молекул разные и флуктуации в их распределении неизбежны. Именно от этих флуктуаций зависит голубой цвет ясного неба, так как на них сильнее рассеиваются синие лучи. Будь скорости всех молекул одинаковыми, солнечный свет не рассеивался бы и солнце светило бы в черном небе, как в космическом пространстве.
Эти же флуктуации кладут предел усилению слабых сигналов в электрических цепях. В конце концов мы слышим лишь треск, результат теплового движения электронов в цепях усилителя. Чтобы уйти за этот предел, приходится охлаждать приемник жидким азотом, водородом, а то и гелием.
Отсюда однозначно следует, что в любой достаточно большой популяции молекул неизбежно найдутся такие, которые могут нарушить структуру гена и вызвать мутацию. Ясно, что такие изменения генетических программ должны обладать следующими свойствами:
1.Они случайны в том смысле, что вероятность каждого единичного изменения не равна единице. Более стабильные части гена мутируют с меньшей частотой, более лабильные – с большей, но мы можем говорить лишь о большей или меньшей вероятности мутаций.
2.Они непредсказуемы, поскольку для предсказания какой#x2011;либо мутации мы должны знать координаты и импульсы всех молекул данной клетке.
3.Они не направлены в том смысле, что изменяют генетичеекую программу без учета содержания сохраняющейся в ней информации. Поэтому они только случайно могут оказаться адаптивными, приспособительными.
Не одна температура изменяет содержание генетических программ.
Пожалуй, большее значение имеют кванты жесткого излучения начиная с ультрафиолета, быстро движущиеся элементарные частицы, молекулы веществ, способные реагировать с ДНК (химические мутагены).
Начнем с радиации. Растворы чистых нуклеиновых кислот в видимом свете прозрачны. Однако и ДНК и РНК сильно поглощают ультрафиолет. Максимум поглощения на 260 нанометрах, кванты такой энергии уже могут вызывать и вызывают мутации. Еще более эффективны рентгеновы лучи и гамма#x2011;излучение, а также быстрые частицы, возникающие при ядерных распадах. Действие жестких излучений на генетические программы изучает целая отрасль генетики радиогенетика. О ее достижениях в популярной литературе много писалось. Остановимся подробнее на другом вопросе. В случае, когда мутацию вызывает квант или элементарная частица, наиболее четко проступает принцип необходимости квантовой механики для описания мутагенеза.
Мы уже договорились с самого начала, что физические законы, физические аксиомы должны оправдываться и для тех случаев, когда мы имеем дело с живой материей.
Значит, и здесь должен действовать принцип квантовомеханической неопределенности, который впервые сформулировал В.Гейзенберг в 1927 году.
Выражается этот великий принцип на вид простой формулой ?p•?x?h
и утверждает, что нельзя определить одновременно координату и импульс (то есть энергию) элементарной частицы точнее, чем следует из этого неравенства.
Произведение погрешности в определении координаты (?x ) на погрешность в определении импульса (?p ) не может быть меньше постоянной Планка h , равной 6,626 • 10–34Дж•с. Это ничтожная величина, поэтому, живя в макромире, мы ее не замечаем. Будь она побольше, мы бы жили в мире без ясных очертаний предметов и без четких траекторий движения. Но ведь мутации происходят в микромире. Для всего гена неопределенность пренебрежимо мала. Однако чтобы вызвать мутацию, нужно довести определенное количество энергии до участка гена размером всего лишь 10–7см (так называемый радиус эффективного обмена, впервые измеренный Н.В.Тимофеевым#x2011;Ресовским и К.Циммером). Здесь уже принципом неопределенности пренебрегать нельзя. О том, что для описания мутагенеза необходимо использовать принцип Гейзенберга, писали еще Н.В.Тимофеев#x2011;Ресовский и Паскуаль Йордан в 40#x2011;х годах. В последнее время то же утверждает и Манфред Эйген. Короче, мы можем лишь с некоторой долей вероятия предполагать, обладает ли частица нужной для мутации энергией и попадет ли она в зону эффективного объема.
Не только принцип Гейзенберга – любое другое положение квантовой механики делает процесс мутагенеза вероятностным. Вот еще пара примеров. Кроме стабильных атомов углерода и фосфора в состав ДНК могут входить их радиоактивные изотопы. Вероятность этого возрастает с увеличением радиоактивного фона нашей планеты. Местоположение атомов C14 и P32 в нитях ДНК, разумеется, случайно. А радиоактивный распад – тоже случайный процесс: знать, какой из атомов в данный момент распадется и вызовет мутацию, нам не дано, и запрет этот принципиальный.
Наконец, есть мутации, не индуцированные каким#x2011;нибудь внешним по отношению к ДНК агентом, а так называемые спонтанные. Водородные связи, скрепляющие двойную спираль ДНК, обусловлены ионами водорода (протонами). Если при раскручивании спирали ДНК, которое обязательно происходит при ее репликации, оба протона перейдут к одному из оснований, возможны другие комбинации, кроме АТ и ГЦ. А неверное спаривание оснований – мутация. Переход протона от одного основания к другому называется туннельным, описывается уравнениями квантовой механики, и все, что мы можем сказать о нем, то, что он осуществляется с частотой 1011…1012в секунду. Время и место каждой единичной спонтанной мутации непредсказуемо принципиально.
А что же вещества, изменяющие структуру гена,– мутагены? Впервые в 1932–1934 годах советские ученые В.В.Сахаров и М.Е.Лобашов независимо друг от друга получили мутации у дрозофилы, действуя на мушек йодом и рядом других веществ. С того времени список мутагенов возрос тысячекратно, теперь каждое химическое соединение, которое предполагается внедрять в практику (лекарства, красители, пластмассы и т.д.), испытывается на мутагенный эффект. Открыты – И.А.Рапопортом и Ш.Ауэрбах – так называемые супермутагены, вызывающие мутации у 100 процентов обработанных ими особей.
Может показаться, что химические мутагены не имеют особого значения в природе, во всяком случае до появления химической промышленности. Простой пример свидетельствует, что это не так. Даже такое, с позволения сказать, вещество, как ион водорода, может индуцировать мутации.
Активная реакция среды измеряется, как вы знаете, в единицах pH . Это взятый с обратным знаком логарифм концентрации водородных ионов. Например, когда реакция нейтральная, pH равно семи и концентрация ионов водорода 10–7моля. ДНК довольно устойчива к подкислению или подщелачиванию, однако при pH ниже четырех начинается отщепление пуриновых оснований – гуанина и аденина.
Содержимое клетки в общем#x2011;то сильная буферная система, поддерживающая pH в районе семи (это не относится к специализированным органам вроде желудка, где высока концентрация соляной кислоты, или же слюнных желез некоторых улиток, которые могут выделять довольно концентрированную серную кислоту). Но вспомним о размерах клеток и обязательных флуктуациях молекул. Объем бактериальной клетки всего 2•10–12см3, значит, при pH = 7 в ней всего примерно 120 водородных ионов. А это означает, что очень вероятна флуктуация: ионы водорода соберутся около, например, гуанина и отщепят его от пентознофосфатного остова ДНК. Произойдет мутация, и опять же случайным, непредсказуемым образом.
На этом можно было бы и закончить обзор изменений генетических программ. Но хотелось бы рассказать о недавно открытых хромосомных перестройках, удивительных и ранее казавшихся невозможными.
Сначала в геномах бактерий, а потом и в геномах высших организмов обнаружили удивительные «кусочки» ДНК, которые могут перемещаться с места на место в хромосоме. Их образно назвали прыгающими, генами. Различают две категории таких последовательностей. Есть короткие (500–1500 пар нуклеотидов) и длинные (более двух тысяч). Они могут вычленяться из единственной хромосомы бактерии (этот процесс называется эксцизией, выстриганием) и встраиваться в нее в другом месте (инсерция). И не только в хромосому, прыгающие гены могут включаться в плазмиды – последовательности ДНК, существующие в бактериальной клетке независимо. Так же легко прыгающие гены могут встраиваться в геномы бактериофагов. Удивительного в этом ничего нет: существует вполне убедительное мнение о том, что плазмиды – «домашние», прирученные бактерией фаги.
Короткие инсерционные сегменты обладают многими удивительными свойствами. Почему#x2011;то оба конца их состоят из одинаковых последовательностей. Иногда же концевые участки перевервуты: на одном конце, например, АТГАГ, на другом – ГАГТА. Встраиваясь в ген, они часто блокируют процесс транкрипции – ген теряет активность. И наоборот, встраиваясь в перевернутом виде, они могут тот же ген активировать. Иными словами, они включают и выключают гены.
Еще более удивительны длинные прыгающие последовательности транспозоны. Именно они, встраиваясь в фаги, переносят от бактерии к бактерии гены устойчивости к антибиотикам. Так что фаги не только могут убивать бактерии или быть их «приживальщиками». Они переносят в мире микроорганизмов генетическую информацию. Так, насекомые не только вредят растениям, но и опыляют их. Ведь первые цветковые растения опылялись ветром. На их пыльниках кормилось много насекомых. Перепачканные пыльцой жуки и примитивные бабочки перелетали с пыльника на пыльник, и в результате возникли такие пары «растение – насекомое», которые не могут существовать друг без друга. Юкка, например, не может опыляться иначе как с помощью юкковой моли. И между фагом, лизирующим, «пожирающим» бактерию, фагом#x2011;«приживальщиком» и приносящей пользу плазмидой, которая переносит транспозоны, есть все переходные ступени.
Прыгающие гены описаны и у высших, ядерных организмов. У дрожжевых грибков они, например, в зависимости от положения в хромосоме, определяют пол клетки. Обнаружили их также у кукурузы и дрозофилы. Вот на последнем объекте хотелось бы остановиться подробнее.
Генетиков давно занимали случаи, когда гены в популяциях плодовой мушки#x2011;дрозофилы вдруг теряли стабильность и частота мутаций возрастала во много раз. Оказалось, что нестабильность того или иного гена обусловливается встроившимся в него инсерционным сегментом. В некоторых случаях удалось проследить, как прыгающий ген в течение нескольких лет кочует от одного участка хромосомы к другому и от одной хромосомы к другой, каждый раз вызывая новую мутацию. Шведские ученые Г.Исинг и К.Рамель проследили до сорока прыжков одной такой инсерции. Результатом была или полная инактивация гена, приводящая к смерти (летальная мутация), или же мутации «розовые глаза», «грубые глаза» (с неправильным расположением фасеток) и целый ряд других.
Такие феномены наблюдались не только в экспериментальных, рассаженных по пробиркам популяциях дрозофилы, но и в природе. Известны так называемые «модные» мутации. Название несколько неожиданное, но удачное. Например, в 30#x2011;х годах частота мутаций, вызывающих желтую окраску тела и белую окраску глаз, возросла в сотни раз, и эта «мода» длилась до 40#x2011;х годов. В 1968 году у дрозофил возникла «мода» на мутацию abnormal abdomen (брюшной отдел уродливой формы), которая продолжалась пять лет и была вытеснена лишь мутацией «опаленные щетинки».
По#x2011;видимому, причина «модных» мутаций – вирусы. Известно, что вирусы могут встраиваться в хромосомы не только бактерий, но и ядерных организмов (это доказано для аденовирусов, вируса герпеса и опухолеродных перерождающих нормальную клетку в злокачественную). Инсерция вируса в геном вызывает мутацию того гена, в который он встроился.
Примечательно, что есть явное сходство между интронами, о которых говорилось в прошлой главе, и инсерционными сегментами. Те и другие могут разделять смысловую часть гена, не находят отражения в аминокислотной последовательности кодируемого геном белка и, по#x2011;видимому, могут включать и выключать гены.
А что значит: включать и выключать?
По#x2011;видимому, это выглядит так: регуляторные элементы клетки могут узнавать и не узнавать встроенный в ген интрон (инсерционный сегмент). В первом случае идет транскрипция предшественника мРНК, во втором – нет. В конце концов, это находит отражение в изменениях признаков фенотипа. И если интрон перепрыгнет в другой ген, то он будет активировать его, а не тот, из которого он ушел.
Еще по теме Опечатки генетических программ.:
- Программа и место проведения исследований
- 1 УСЛОВИЯ И ПРОГРАММА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
- 3.3. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА И УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА
- Генетический код
- 5-13. Генетический поиск и норма
- «Генетическая революция»
- 3.6.4.4. Подвижные генетические элементы
- 10.2.2. Генетические характеристики популяции
- Генетическая структура
- Реализация генетической информации
- 6.4.5. Медико-генетическое консультирование
- Генетическая изменчивость
- Генетическая регуляция онтогенеза
- Генетические основы видообразования