Динамическая наследственность: теоретические предпосылки

Как уже говорилось, понятие наследственной памяти включает в себя три аспекта: хранение, кодирование и передачу генетической информации. Возможны как структурные, так и динамические способы хранения, кодирования и передачи наследственной информации. При структурном способе кодирование осуществляется путем определенного порядка оснований в ДНК или РНК, а передача — путем конвариантной редупликации.

Динамические способы хранения, кодирования и передачи информации у живых организмов могут быть весьма разнообразны. Прототипом динамической памяти является предложенная впервые Ф. Жакобом и Ж. Моно система из двух оперонов, которые циклически связаны между собой таким образом, что система может переключаться на два режима работы (Monod, Jacob, 1961). Выбор состояния (а на уровне фенотипа — это выбор между двумя альтернативными признаками, есть — нет белок и т. д.) зависит от концентрации циркулирующих через цитоплазму белков — регуляторов. Путем воздействия на белки–регуляторы система способна переключаться на другой режим.

Подобный переключатель, или триггер, контролирует систему размножения фага "лямбда" у бактерий. Встроенный фаг вырабатывает белок-репрессор, подавляющий активность генов, контролирующих образование "ранних белков" фага. Когда фаг встроен в хромосому бактерии, его присутствие почти не обнаруживается. Это так называемое состояние профага. При подавлении репрессора профаг начинает размножаться, образуя зрелые фаги, которые инфекционны и вызывают лизис бактерий.

За открытие и анализ этого явления Андрэ Львов был удостоен Нобелевской премии. Цитоплазматический фактор, который не дает размножаться другим фагам в клетке и "сдерживает" эндогенный, интегрированный в хромосому бактерий профаг, является репрессором и продуктом фагового гена. Любые агенты, которые снижают концентрацию репрессора, тем самым вызывают размножение фаговых частиц и лизис клетки.

Франсуа Жакоб замечательно описал эти две альтернативы развития, определяемые динамикой взаимодействия генных продуктов. Когда фаг попадает в клетку, "начинается своеобразное соревнование между синтезом специфического репрессора и синтезом "ранних белков, необходимых для размножения вегетативного фага. Судьба клетки-хозяина, ее выживание или лизис в результате размножения фага зависит от того, какому из этих двух синтетических продуктов в большей мере благоприятствуют условия. Изменение условий культивирования в направлении, благоприятном для синтеза репрессора…, должно благоприятствовать лизогенизации и наоборот". (Стент, Кэ–линджер, 1981, с. 354).

Подобного рода обратимые наследуемые изменения, определяемые динамическими связями генопродуктов и других молекул, относят к эпигенетическим. Переключение с одного признака на другой происходит не вследствие изменения структуры гена, а в силу регуляции генной активности.

Становление смыслового поля понятий в области динамической или эпигенетической наследственности в определенной мере повторяет извилистый путь понятий классической генетики. И здесь, само название области исследований — "эпигенетика", прилагательное "эпигенетический" и термин "эпигенотип" появились гораздо раньше, чем было введено (и еще не стало общераспространенным) представление об элементарной единице динамической наследственности — эпигена (Чураев, 1975).

Термин "эпигенетика", по свидетельству К. Уоддингтона, был изобретен им в 1947 году, как производное от аристотелевского "эпигенез". К. X. Уоддингтон предложил "называть эпигенетикой ветвь биологии, изучающую причинные взаимодействия между генами и их продуктами, образующими фенотип" (Уоддингтон, 1970, с. 18). Эпигенетика в аспекте онтогенеза включает два основных направления: изучение и анализ с позиций генетики клеточной дифференцировки и геометрической формы (морфогенез). Элементарным событием дифференцировки могут быть процессы репрессии и дерепрессии генов, а элементарными событиями морфогенеза — определение третичной структуры белков и слабых взаимодействий между ними.

К. X. Уоддингтон ввел также представления об "эпигенетическом ландшафте" и о множественности "эпигенетических траекторий" потенциально, возможных для одного генотипа. Он обосновал тезис, что фенотип можно рассматривать как возможность выбора из нескольких путей реализации информации, передаваемой через ДНК хромосом.

В конце 50-х годов исследователи в области генетики простейших и генетики соматических клеток ввели в обиход понятие "эпигенетическая изменчивость" (Nanney, 1958; Эфрусси, 1976). Ю. М. Оленов был в числе первых, кто привлек внимание к этой проблеме (1970) и использовал термин "Эпигеномная изменчивость". Сюда относятся разнообразные наследуемые обратимые изменения генотипа, не сопровождаемые изменениями структуры генетического материала. Производное понятие "эпигенотип" стало употребляться разными авторами в несколько разных смыслах.

Термин "эпигенотип" в более определенном смысле, как указывает Б. Эфрусси, был введен в 1976 г. английским зоологом М. Abercrombie для обозначения той части суммарного генома, которая функционально активна в данном типе дифференцированных клеток. "Используя это понятие, мы можем сказать, что различные типы клеток обладают различным эпигенотипом." (Уоддингтон, 1970). К середине 70-х годов терминология в области изучения динамической наследственности стабилизировалась. Ю. Б. Бахтин (1976) предложил "пользоваться для обозначения наследуемых на клеточном уровне изменений генной активности термином "эпигенетическая изменчивость", а для обозначения совокупности активных в клетке генов — термином "эпигенотип".

С позиций клеточной наследственности к эпигенетическим изменениям относится широкий класс явлений. Сюда входят явления тканевой детерминации в ходе онтогенеза, феномен трансдетерминации, исследованный Е. Хадорном на имагинальных дисках дрозофилы, наследуемый полиморфизм клонов соматических клеток, изменение антигенных вариантов у простейших, характер возникновения и наследственного поведения самых разных признаков у амеб, инактивация X-хромосом у млекопитающих и феномен хромосомного и генного импринтинга (Холлидей, 1989; Сапиенца, 1990; Holliday, 1987, 1990; Jablonka, Lamb, 1989; 1995; Jablonka, Lachmann, Lamb, 1992; Jorgensen R., 1993).

Эпигенетические изменения, возникаемые в онтогенезе многоклеточных эукариот, способны передаваться не только в рамках клеточной наследственности (сома), но и через половое размножение. Еще в 60-е годы R. Brink, (1973) на кукурузе открыл феномен "парамутации", когда один аллель (парамутабильный), будучи единожды в гетерозиготе с другим аллелем (парамутагенным), закономерным образом, с частотой свыше 90%, меняет характер своего выражения и сохраняет это новое измененное состояние в ряду поколений. Сюда же относятся замечательные данные П. Г. Светлова (1965), полученные на дрозофиле и мышах, о наследовании в ряду поколений измененной экспрессивности определенных мутантных генов при однократном температурном воздействии на материнскую ооплазму.

Открытие в начале 60-х годов Ф. Жакобом и Ж. Моно принципов регуляции действия генов, их подразделения на структурные и регуляторные, их организации в опероны трансформировало представление о наследственности. Ф. Жакоб и Ж. Моно обосновали положение о необходимости включать в сферу наследственности, в понятие геном не только структурную, но и динамическую память — "координированную программу синтеза белков и способы, которыми этот синтез контролируется" (Jacob, Monod, 1961). Два сообщения этих авторов, доложенные ими на симпозиуме в Колд Спринг Харбор в 1961г., с полным основанием можно именовать как "величайший интеллектуальный взлет" (Харрис, 1973). Было показано, каким образом клетка может целенаправленно переключаться с одной наследственной программы функционирования на другую в зависимости от метаболической ситуации.

Концептуальный смысл своих открытий, доложенных на симпозиуме 1961 г., Ж. Моно и Ф. Жакоб суммировали в итоговых размышлениях, красноречиво названных: "Общие заключения: телеономические механизмы клеточного метаболизма, роста и дифференцировки". Фейерверк содержащихся там идей, в значительной степени определил направление исследований в области генетической регуляции в последующие десятилетия (Пташне, 1988). Приведу лишь один пример.

Четкое понимание, что должны быть особые регуляторные гены, способные менять свое состояние (не меняя структуры) в ответ на сигнал со стороны генома или среды, сдвинуло с мертвой точки концептуально застывшие с 20-х годов исследования в области генетики пола у дрозофилы и других эукариот. Целенаправленные поиски ключевого гена–регулятора пола, который, не изменяя своей структуры, способен менять свое состояние в зависимости от состава хромосом зиготы, привели к открытию такого гена. У дрозофилы им оказался ген Sex-lethal (Sxl), который у самок должен быть активен, но инактивирован у самцов. Этот выбор состояния Sxl-гена затем передается по каскадной цепи другими генами к факторам дифференцировки пола гонад и других соматических тканей (Cline, 1993).

В заключительном докладе симпозиума 1961 г. Ж. Моно и Ф. Жакоб предложили замечательную серию моделей с целью показать, как открытые на микроорганизмах принципы регуляции могут решить главный парадокс дифференцировки: потенциальное существование на базе одного генотипа множества программ и их актуализацию, т. е. способы выбора альтернатив (Monod, Jacob, 1961). Основное звено моделей Ж. Моно и Ф. Жакоба — циклические системы с обратными связями между продуктами генов — регуляторов и структурных генов. Хотя их модели представляли собой, по их словам, "воображаемые цепи" ("imaginary circuits"), авторы справедливо подчеркивали, что "элементы этих цепей вовсе не воображаемые", а имеют реальные аналоги в исследованных уже к началу 60-х годов некоторых генетических системах.

Самым простым вариантом цепи является метаболическая схема с обратной связью, формально идентичная модели, которую предложил еще в 1949 г. М. Дельбрюк для концептуального истолкования результатов опытов Т. Соннеборна по переключению антигенов у парамеций. Это модель так называемого аллостерического ретроингибирования, когда есть две независимые метаболические цепи и конечный продукт синтеза одной цепи ингибирует первое звено синтеза в другой цепи. Такая система способна переключаться с одного состояния на другое в зависимости от метаболической обстановки. Если случайно одна из цепей получает метаболическое преимущество, то она становится функциональной, подавляя вторую цепь. Переключение может быть достигнуто самыми разными способами.

В одной из моделей Ж. Моно и Ф. Жакоба обратная связь конструировалась таким образом, что продукт определенного структурного гена инактивировал продукт гена–регулятора, который репрессировал этот же структурный ген. Такая система может служить простейшим примером автокаталитической и самоподдерживающейся системы. В отсутствие метаболической блокады репрессора данный генопродукт не синтезируется, система заблокирована. Временный контакт с индуктором, в роли которого прежде всего может выступать добавленная извне порция продукта регулируемого структурного гена, деблокирует систему, переключает ее в постоянно активное состояние. Поразительно, но эта воображаемая система была затем обнаружена у ряда генов, контролирующих размножение фага лямбда.

В другой модели постулировалась взаимная регуляция на уровне транскрипции, когда возможность транскрипции самих генов-регуляторов зависела или находилась под контролем продуктов контролируемых ими ген–ферментных систем. Эта система оказалась уже способна и к устойчивому сохранению каждого из режимов в ряду клеточных поколений, и к переключению с одного режима на другой под действием временных контактов с каким-либо индуктором. Подобный теоретический конструкт был вскоре реально обнаружен при изучении регуляции выбора литического или лизогенного режима фага лямбда.

Ж. Моно и Ф. Жакоб постулировали, что аналогичные модели дают возможность объяснить процесс "почти мгновенной и более или менее устойчивой "меморизации" клетками химического события. Сама проблема памяти может быть успешно рассмотрена с этих позиций" (Monod, Jacob, 1961, с. 399). В связи с созданными моделями авторы обсудили разные аспекты динамической памяти, связанные с событиями клеточной дифференцировки или малигнизации. Начальное, пусковое событие малигнизации вполне может быть эпигенетическим. Оно переключает параметры клеточного цикла будущей раковой клетки в сторону его независимости от систем тканевой регуляции. Затем может происходить селекция онкогенных мутаций, усиливающих эту независимость. "Очевидно, что большой спектр агентов, от вирусов до канцерогенов, может быть ответственен за подобное начальное событие" (Monod, Jacob, 1961). По существу к сходному выводу пришли и ряд современных исследователей (Бахтин, 1980; Cuthill, 1994).

Следующий важный шаг в области теории генной регуляции и изучения динамической наследственности представляет собой концепция эпигена, предложенная и разработанная Р. Н. Чураевым.