К истории открытия мобильных элементов

Генезис открытия мобильных генетических элементов (МГЭ), изменивших лик современной генетики, необычайно поучителен с точки зрения судьбы научных идей и истории науки. Здесь как нельзя лучше видна справедливость глубокого замечания А. А. Любищева (1975, 2000), что прошлое науки это не кладбище гипотез, а собрание недостроенных архитектурных ансамблей, прерванных по дерзости замысла или недостатку средств. С другой стороны, история этого открытия показывает, что многие идеи и факты существуют десятилетиями, будучи на периферии доминирующей доктрины (парадигмы) и рассматриваясь в ней как курьез или исключение. А потом они становятся центральными, и становится малопонятным, почему на них не обращали внимания.

Основные факты и интеллектуальный контур (то что называется в работах по истории науки framework), приведшие к открытию мобильных элементов, были получены в разных областях генетики. Лишь в конце 70-х годов они соединились анастомозами и привели к единой концепции. Этими направлениями были:

1. Анализ свойств высокомутабильных или нестабильных генов у растений и дрозофилы (Emerson, 1914; Demerec, 1926–1940).

2. Исследования Б. МакКлинток по цитогенетике нестабильности у кукурузы и выдвинутая ею гипотеза о контролирующих подвижных элементах (McClintock, 1951–1965).

3. Обнаружение в 1968–1972 гг. нового класса инсерционных мутаций у бактерий, вызванного внедрением чужеродного сегмента ДНК длиной в несколько сотен оснований (Starlinger, 1984; Saedler, Starlinger, 1991).

4. Одновременное открытие двумя группами исследователей в СССР и в США в 1977 г. мобильных генов у дрозофилы D. melanogaster (сводка: Хесин, 1984).

5. Генетические доказательства инсерционной природы нестабильных мутаций в лабораторных линиях дрозофилы (Green М. М., 1967, 1969) и нестабильности аллелей, выделенных из природных популяций в период вспышки мутабильности (Golubovsky, Ivanov, Green, 1977; Golubovsky, 1980).

3.3.1. Первые попытки анализа нестабильных генов (1914–1941)

Само представление о существовании особого нестабильного состояния наследственных факторов было введено в науку Гуго де Фризом в 1901 г. Но еще до 1900 г., в 1896 г., он стал изучать нестабильность у львиного зева Antirrhinum majus, приводящую к мозаичной окраске цветка. Спустя более 90 лет был выделен мобильный элемент Тат, отвечающий за подобный мозаицизм у львиного зева Интерес к мозаицизму у кукурузы во многом связан с чувством красоты у индейцев. Им нравилась мозаичная окраска зерна, и они специально выращивали такие разновидности, тем самым, как оказалось, поддерживали линии с мобильными элементами (Федорофф, 1984).

Генетический анализ окраски мозаичных зерен, несущих ген пурпурной окраски перикарпа Р, первым провел Ролин Адаме Эмерсон. О его личности следует сказать особо. Ролин Адаме Эмерсон (1873–1947) был выдающимся исследователем. Среди его непосредственных учеников двое стали нобелевскими лауреатами: Дж. Билл, автор концепции "один ген — один фермент" и Барбара МакКлинток, открывшая мобильные элементы.

Р. А. Эмерсон окончил университет штата Небраска в 1897 г., в 1899–1913 гг. вел исследования в сельскохозяйственном колледже и опытной станции того же штата. В перерыве, в 1910–1911 гг. работал в Гарвардском университете совместно с генетиком Эдвардсом Истом (1879–1938). С 1914 по 1942 гг. Р. А. Эмерсон руководил в Корнельском университете отделом селекции растений. Вспоминая о своем учителе Дж. Бидл писал в памятной статье (Beadle G. М., 1950): "Вклад Эмерсона в генетику бsk многосторонен. Он начал работать еще в то время, когда эта наука была слаба и вызвала много сомнений... Его статьи по генетике окраски алейрона и растений у кукурузы — выдающийся образец экспериментального исследования, глубоко обоснованные и ясные по написанию. Они служит вдохновляющим примером для будущих поколений исследователей... Его работы по мозаицизму в окраске перикарпа привели к концепции нестабильных генов и представляют собой главу в истории генетики".

Дж. Бидл пишет о впечатляющем научном стиле и личности Р. Эмерсона: "Велики были его упорство и объективность. Он никогда не публиковал данные до тех пор, пока не получал их подтверждения не один раз, и многими путями... Столь же важными, как и его научные труды, была личность Эмерсона, которая запоминалась всеми, кто его знал. Это был физически сильный, хорошо сложенный высокий человек. Он был приветлив и сердечен в общении. Заразительный энтузиазм и дар проявлялся не только в научной, но и во всех видах деятельности. Он гордился тем, что во время полевого сезона первым приходил на участок и последним покидал его. Этот пример несомненно способствовал продуктивности всех работавших с ним студентов и исследователей... Щедрость Эмерсона была легендарна. Эта щедрость сыграла большую роль в том, что кукуруза стала самым изученным с точки зрения генетики растением... Эмерсон испытывал такое же удовольствие от хорошей работы своего ученика или коллеги, как и от своей собственной. Этот дух альтруизма в сочетании с энтузиазмом, простотой в общении и высокими способностями естественным образом сделали его интеллектуальным и духовным лидером среди всех генетиков кукурузы" (Beadle, 1950).

Отсюда, видимо, идет и чистота и изящество опытов Б. МакКлинток, ее упорство в многолетнем одиноком поиске. Р. Эмерсон провел генетический анализ мозаичного, нестабильного проявления окраски перикарпа у кукурузы, контролируемой локусом "Р" (Emerson, 1917). На светлом фоне появлялись красные пятна на зернах, вызванные, как мы теперь знаем, вырезанием мобильного элемента, ингибирующего мобильность локуса. Эмерсон пришел к выводу, что существует некий фактор мозаицизма, "разновидность временного рецессивного ингибитора, который на раннем или позднем этапе онтогенеза теряет свою способность ингибировать". Дальше следует честное заключение, что "причины такого изменения фактора лежат сейчас вне рамок мыслимого обсуждения".

К такому же неутешительному выводу пришел и другой замечательный исследователь Милислав Демерец (1895–1966). М. Демерец, югослав по происхождению, окончил в 1916 г. колледж в Загребе. Затем переехал в США и в 1921–1923 гг. работал в Корнельском университете (там же, где Р. Эмерсон), с 1923 по 1960 г. — в Институте Карне–ги (с 1943 — директором). М. Демерецу принадлежат классические работы в области нестабильности гена, эффекта положения у дрозофилы и генетики микроорганизмов. Но начал он с анализа соматической нестабильности у львиного зева. Изучив свойства двух нестабильных мутаций, влияющих на окраску цветка, М. Демерец догадался, что размер мозаичного пятна на растении зависит от стадии онтогенеза, на которой мутирует нестабильный ген. Один из изученных им генов мутировал равномерно на всех стадиях развития, а другой — лишь в поздней эмбриональной. Одновременно М. Демерец нашел нестабильную мутацию "маленькие крылья" (miniature) у дрозофилы вида D. virilis.

Частота реверсий от мутанта к норме достигала у одного из аллелей 25%. Ревертанты были стабильны. М. Демерецу удалось выделить мутантные производные, которые ревертировали к норме или только в половых клетках, или только в соматических. Изучив все, что можно было "выжать" из генетических методов, М. Демерец, как он сам пишет, вынужден был заняться другими проблемами, не высказав какой-либо способной быть проверенной гипотезы. Нестабильные мутанты были утрачены и вновь найдены у этого вида лишь спустя 50 лет в лаборатории М. Б. Евгеньева. Нестабильность у D. virilis возникала в межлинейных скрещиваниях в ситуации гибридного дисгенеза и оказалась связанной с активацией и инсерциями разных подвижных генетических элементов (Евгеньев и др., 1982).