Голубовский М Эпигенетическая изменчивость

Эпигенетическая изменчивость

Динамическая наследственность: теоретические предпосылки

Как уже говорилось, понятие наследственной памяти включает в себя три аспекта: хранение, кодирование и передачу генетической информации. Возможны… Динамические способы хранения, кодирования и передачи информации у живых… Подобный переключатель, или триггер, контролирует систему размножения фага "лямбда" у бактерий. Встроенный…

Концепция эпигена: понятийная и логическая схема

 

Эпигеном была названа наследственная единица, циклическая система, имеющая не менее двух режимов функционирования подчиненных ей генов, способная сохранять каждый из режимов в последовательном ряду поколений (Чураев, 1975). Эпиген, который включает одну единицу транскрипции, является однокомпонентным. В этом случае цикл обратной связи осуществляется за счет авторегуляции. Обратная связь может быть позитивной или негативной. Возможны двухкомпонентные эпигены и более сложные их композиции (Чураев, 1982). Понятие эпигенотип в рамках концепции впервые получает не размытый, а более конкретный смысл, как перечень генов, входящих в эпигены с указанием их состояния. Состояние эпигена можно обозначать символами входящих в него генов с обозначением А¹ — активное и А⁰ — неактивное состояние гена А, который контролирует изменения данного признака.

Введение подобной символики позволило провести интересный логический анализ результатов скрещиваний разных эпигомозигот А¹А¹ и А⁰А⁰, отличающихся по состоянию эпигена. В потомстве эпигетерозиготы а¹а⁰ — введение этого термина есть естественное логическое следствие концепции эпигена — теоретически предсказывается неменделевское наследование, когда наблюдается резкий дефицит одного из эпигенотипов, вплоть до его "поглощения".

Определив понятие эпигена, можно рассмотреть разные ситуации эпигенной изменчивости. На рис. 3 приведены блок-схема однокомпонентного эпигена с позитивной авторегуляторной связью на уровне транскрипции и дана полнач система понятий для описания эпигенной изменчивости. В логическом соответствии с геном и его аллелями можно говорить об эпиаллелях или разных состояниях эпигена, обозначаемых как эгшаллели А¹ и А⁰. Понятие "эпимутация", введенное Р. Холлидеем (1987) для обозначения наследуемых обратимых изменений, соотносится с транскрипционным переключением эпигена из одного состояния в другое. Эпимутация происходит, например, при блокировании продукта гена–регулятора или при трансактивации неактивной связью на уровне транскрипции. В логическом соответствии с геном и его аллелями можно говорить об эпиаллелях в клетках эпигетерозигот (рис. 3). Таким образом, понятия "эпиаллель" и "эпимутация", введенные независимо разными авторами при изучении эпигенетической изменчивости (Holliday, 1987; Jorgensen, 1993), легко вписываются в концепцию эпигена. Наблюдается удивительная параллель с тем, как "находили друг друга" термины ген, аллель и мутация.

Рис. 3. Однокомпонентный эпиген с позитивной авторегуляцией (логическая схема; RP — область регулятора и промотера)

Структурный ген А и ген-регулятор R входят в одну единицу транскрипции, образуя авторегуляторную связь. Показаны два аллельных состояния эпигена и возможное поведение системы в потомстве эпигетерозигот. При скрещивании фенотипически различных эпигомозигот в потомстве эпигетерозиготы А¹/А⁰ возможны унификация эпигенов и неменделевское наследование (Чураев, 1975), как это регулярно происходит у инфузорий (Успенская, Юдин, 2000).

Введение понятия эпигена и его символическая презентация позволили уже на самых простых моделях выявить важные следствия. Так, если имеются два структурно различных аллеля одного гена А1 и А2 и при этом генотипы гомозигот А1А1 и А2А2 отличаются как-то друг от друга и от гетерозигот А1А2, то мы имеем три разных генотипа. Если же аллели этого гена входят в состав эпигена, то возможны четыре эпиаллеля А1¹, А1⁰, А2¹, А2⁰, 6 эпигенотипов и 4 класса фенотипов. В случае же аллельной специфичности продукта гена-регулятора к рецепторной зоне своего эпигена число эпигенотипов возрастает до восьми! (Чураев, 1975).

Р. Чураев разработал более общее строгое теоретико-математическое описание путей и способов кодирования, хранения и передачи функциональной информации в ряду последовательных поколений. Единицы (ячейки) функциональной наследственной памяти были названы биотонами. К биотонам, к примеру, относится транспозиционное переключение типов спаривания у дрожжей, инверсионный способ переключения экспрессии генов у сальмонелл. Биотоны — родовое понятие по сравнению с эпигеном, эпигены — частный случай биотонов. Для последних наличие циклических связей не является необходимым (Чураев, 1997).

Гипотеза эпигена через 20–25 лет после того, как была высказана, получила достойное завершение: Чураев и его коллеги (Tchuraev, et. al., 2000), а затем две группы исследователей в 2000 году осуществили синтез эпигенов. Альтернативные режимы их функционирования соответствуют предсказаниями теории (Чураев, 1981; Judd, Laub, McAdams, 2000).

 

Транспозоны и эпигены

Особенно знаменательно, что транспозоны прокариот и эукариот могут иметь эпигеноподобную организацию. В транспозоне Тп3 у бактерий ген R имеет две… Транспозон Тп10 у бактерий тоже можно рассматривать как однокомпонентный… Эпигенный принцип регулирования характерен и для таких мобильных элементов эукариот, как Р-транспозон у дрозофилы и…

Эпигенетические изменения структуры хромосом

Среди форм неканонической изменчивости Р. Б. Хесин выделил стойкое наследуемое в ряду клеточных поколений изменение локальной структуры хроматина,… Робин Холлидей (1989) предложил механизм осуществления эпигенетических… Р. Холлидей постулировал, что фермент под названием "метилаза поддержания" действует только на…

Глава 5. Некоторые проблемы теории эволюции в их соотношении с современной генетикой

 

Наследственные изменения как процесс. Вехи познания

Ю. А. Филипченко предложил рассматривать изменчивость с двух точек зрения: как состояние (индивидуальная и групповая изменчивость) и как процесс. В… Заметим, что в настоящей работе предложено термин "вариация"… Интересную периодизацию истории изучения мутационного процесса сделала Шарлотта Ауэрбах (1978), которой принадлежит…

Наследственные изменения как ошибки матричных и генетических процессов

Возникновение наследственных изменений следует рассматривать как закономерный итог ошибок или нарушений двух процессов: матричных и генетических.… Под понятием "генетические процессы" в узком смысле слова можно… На рис. 4 схематически представлены две группы процессов и взаимосвязи между ними, которые определяют появление…

Адаптивные преобразования генома в ответ на вызов среды

В теории эволюции и в генетике всегда была дискуссионной проблема, связан ли тип возникающих наследственных изменений с направлением отбора.… До конца 80-х годов считалось, что генетики Лурия и Дельбрюк, ставшие… Эти эксперименты дали повод полагать, что бактериология перестала быть "последним оплотом ламаркизма" и что…

Дискуссия об адаптивных или отбор-зависимых мутациях

Уже упоминалось, что С. Лурия и М. Дельбрюку "повезло", что они работали с нелизогенным фагом Т1, который во всех случаях не оставляет… В 1988 г. в журнале "Nature" была опубликована статья Дж. Кэйрнса с… Вслед за тем появилась серия работ Барри Холла (Hall, 1990, 1992) на другой генетической системе. Бактерии, мутантные…

Ревизия проблемы наследования приобретенных признаков

"История биологии не знает более выразительного примера многовекового обсуждения проблемы, чем дискуссия о наследовании или о ненаследовании… Во времена Линнея считали неизменными виды. В такой же степени Д. И. Менделеев… Напрашивается аналогия и с проблемой наследования приобретенных признаков. Если вновь возникающие наследственные…

Факультативные элементы и наследование приобретенных признаков

Первый пример связан с поведением вируса "сигма", второй с мобильными элементами типа "I", ответственными за "I-R''-систему… Исследования взаимодействия факультативного элемента — вируса… Чувствительность к углекислому газу оказалась связана с размножением в половых и соматических клетках РНК-содержащего…

Передача в ряду поколений эпигенетических изменений. Опыты П. Г. Светлова

Стойкое наследование свойств цитоплазмы приводит к важному выводу в теории онтогенеза: индивидуальное развитие организма начинается по существу не с… Именно такого рода факты были установлены П. Г. Светловым на мышах и дрозофиле… Можно подобрать воздействие, которое улучшит "плохой" наследственный признак. Так, П. Г. Светлов показал,…

Наследственные изменения и пищевой режим (генотрофы растений)

Начиная с 1962 г. английский генетик А. Даррент опубликовал серию статей об исследованиях, которые не привлекали особого внимания в течение 15 лет,… А. Даррент брал проростки разных линий льна и резко менял режим минерального… Такого рода изменения А. Даррент назвал генотрофами. При отборе индуцированные изменением трофики фенотипы удавалось…

Динамическая память и наследование приобретенных признаков

Изменения в рамках динамической памяти, т. е. связанные с переключением эпигенов, убедительно показаны исследованиями на простейших. Если бы… У простейших каждая особь в одно и то же время и одна клетка, и индивид,… Затем проводились эксперименты, в которых менялись ядерно-цитоплазматические отношения или получались…

Наследственность и инфекция. Горизонтальный перенос и симбиоз

По удивительному совпадению практически одновременно в 1953 г. были сделаны два открытия, определившие лицо современной молекулярной и общей… Для эволюционной генетики открытие Андрэ Львова, на мой взгляд, имеет не… Небольшой исторических экскурс показывает, сколь революционным было открытие Андрэ Львова. Уже с начала 20-х годов…

Вирусы и информационный обмен в биосфере

Термин вирус этимологически обозначает яд. Вплоть до 60-х годов вирусы преимущественно рассматривались как болезнетворное начало. Но уже изучение… Представление о повсеместности вирусов в биосфере, высказанное в середине 70-х… Целенаправленное изучение путей распространения вирусов в природе (то, что называется "environmental…

Информационный фактор в эволюции

В конце своей книги "Непостоянство генома" Р. Б. Хесин высказал мысль о том, что благодаря перемещающимся элементам генофонды всех живых… Негативная реакция, в значительной степени, особенно судя по рецензии (Беляев,… Попытки применения теории информации к эволюции биосферы делались с разных позиций (Колчинский, 1990). Но в области…

Автогенез на уровне ДНК и хромосом, эволюционно-генетический потенциал и видообразование

Ю. А. Филипченко в свое время высказал мнение, что "в эволюции играли главную роль какие-то внутренние силы, заложенные в самих… Наращивание доли неинформативной ДНК или ФК элементов основано на ряде… Автогенетическая тенденция к наращиванию длины ДНК, приводя к рассмотренному выше С-парадоксу, проявляется в самых…

Заключение. Наследственная изменчивость в классической и современной генетике

 

Табл. 6 суммирует представления о наследственной изменчивости в классической и современной генетике. Сопоставление показывает, что необходима ревизия всего комплекса представлений о наследственной изменчивости и, стало быть, ревизия тех эволюционных построений, которые были основаны на положениях классической генетики.

 

Таблица 6. Сопоставление представлений о наследственной изменчивости в классической и современной генетике

Классическая генетика	Современная генетика
1. Все вновь возникающие изменения — суть мутации, которые связаны с изменением локуса в хромосоме, либо числа хромосом	1. Мутации лишь часть наследственных изменений, которые могут быть вызваны изменением не структуры гена, а его состояния
2. Мутации возникают в потомстве отдельных особей с малой частотой и случайным образом	2. Транспозиции мобильных элементов и вызываемые ими изменения могут быть массовыми, упорядоченными
3. Скорость мутационного процесса относительно постоянна; ген стабилен, устойчив; нестабильность есть род "болезни гена"	3. В природе регулярно происходят вспышки инсерционных нестабильных мутаций, связанные с активацией мобильных элементов
4. Передача наследственной информации возможна лишь в рамках полового размножения	4. Существует внутри- и межвидовой поток генетических элементов при участии вирусов и разных МГЭ
5. Гены хромосом полностью определяют характер действия элементов цитоплазмы	5. Ядерно-цитоплазматические отношения сложны и разнообразны. В цитоплазме есть автономные и полуавтономные генетические элементы с неменделевским наследованием
6. Эпигенетические изменения встречаются у простейших, а у эукариот касаются в основном соматических клеток	6.У эукариот эпигенетические изменения установлены и могут передаваться через половое размножение
7. Гены сохраняются у гибридов в неизменном "чистом" виде. На этом основана дискретность менделевского наследования	7. В рамках эпигенетической детерминации признаков возможно "слитное" наследование
8. Оба пола в равной мере участвуют в передаче своих наследственных свойств	8. Степень активности генов и хромосом может зависеть от пола, в котором они побывали в предшествующем поколении
9. Ни при каких условиях невозможно наследование приобретенных в ходе индивидульного развития признаков	9. Наследование возможно, когда признак зависит от взаимодействия ОК и ФК элементов

 

Глава 6. НЕКОТОРЫЕ ИСТОРИКО-НАУЧНЫЕ УРОКИ

 

Лаг-период непризнания в 25–30 лет — инварианта для судьбы крупных открытий

 

История с более чем 30-летним непризнанием открытия Менделя и затем его одновременным переоткрытием хотя и широко известна, но продолжает активно обсуждаться в историко-научной литературе (Olby, 1985, Гайсинович; 1988, Piegorsch, 1986; Dunn, Carlson, 1985, 1986; Falk, 1995).

Однако судьба открытия Г. Менделя вовсе не является каким-либо уникальным событием не только в истории науки в целом, но даже и в генетике. Почти 100 лет после Г. Менделя в период бурного развития генетики Б. МакКлинток, обобщив свои шестилетние опыты, выдвинула концепцию "контролирующих элементов" (McClintock, 1951). Несмотря на последующие регулярные публикации, работа Б. МакКлинток оставалась либо непонятой, либо недооцененной вплоть до конца 70-х годов. Лаг-период более чем в 25 лет.

То же самое произошло с открытием вирусов, вызывающих рак. Первая публикация Пеутона Роуса (1879–1970) была сделана в 1911 г. Роус (часто пишут Раус) установил, что вирусный агент вызывает перевиваемую саркому у кур. Затем он описал другие опухоли, индуцируемые вирусом. Возражения и скепсис продолжались вплоть до середины 60-х годов. В 1966 г. Роус получил Нобелевскую премию.

Нобелевская премия имеет высокий рейтинг и может служить определенным объективным показателем мирового признания открытия. Хотя, конечно, необходимы оговорки. Так, в 1926 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине получил датский микробиолог и патологоанатом Йоханнес Фибигер (1867–1928) за работу о роли паразитических червей в возникновении опухолей у крыс. Фибигер кормил крыс тараканами, зараженными личинками паразитического червя спироптеры, и у крыс как будто индуцировался рак желудка. Эта работа не оправдала надежд и "не сыграла какой-либо роли в развитии учения о раке как в теоретическом, так и в практическом отношении" (Зильбер, 1968). С другой стороны, за пределами Нобелевской премии, естественно, могут оставаться авторы других выдающихся открытий. С этими оговорками премия заслуженно считается во всем мире высокой экспертной оценкой.

Если проанализировать сведения о присуждении премий в области генетики и сопредельных дисциплин, то оказывается, что открытия делятся на две группы: а) практически сразу же принятые научным сообществом и б) оцененные с лаг-периодом в 30 и более лет. Задержка в присуждении премии Г. Меллеру за искусственное получение мутаций вызвана, видимо, привходящими обстоятельствами. Его открытие, сделанное в 1927 г. сразу же получило заслуженную славу и среди генетиков, и в науке и в обществе в целом (Хесин, 1972).

Таким образом, можно утверждать, что лаг–период в признании выдающихся открытий — закономерное явление в истории науки. Интересно выяснить, каковы инвариантные элементы в истории "непризнаний". Их следует искать, как аргументировано в главе 1, и в самой природе творчества и в социально-психологических факторах, связанных с получением знаний и их передачей.

 

Сопоставление судьбы открытий Менделя и МакКлинток

Для понимания судьбы научных открытий и феномена "непризнания" несомненным ориентиром является концепция личностного знания, развитая… Г. Мендель дал ответ на вопрос, который в то время еще не был задан, не потому… К примеру, в 1908 г. английский врач Арчибальд Гаррод, изучая родословные семей с алкаптонурией (больные выделяют мочу…

О причинах непризнания открытия Барбары МакКлинток

"Эффект генерала" абсолютно не имел значения в случае с непониманием истинной ценности работ Б. МакКлинток (1902–1992) по подвижным… В 1939 г. Б. МакКлинток была избрана вице-президентом Американского… И все же, несмотря на то, что авторитет Б. МакКлинток, в отличие от Г. Менделя был общепризнан, сделанное ею уже в…