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 последнем случае предлагалось выделять три вида изменений: ненаследственные, или модификации, и два вида наследственных — мутации, возникающие без скрещиваний, и комбинации, возникающие с участием скрещиванием. Вслед за Э. Бауром Ю. А. Филипченко предлагал вкладывать в термин вариация более широкий смысл и "понимать под вариациями все три вида возможных изменений организмов: модификации, мутации и комбинации" (Филипченко, 1929, с. 13).

Заметим, что в настоящей работе предложено термин "вариация" использовать во вполне определенном ограниченном смысле, для обозначения наследственных изменений, непосредственно связанных с самыми разными факультативными элементами генома, от повторов ДНК до дополнительных хромосом и цитобионтов (Голубовский, 1985). Это разграничение вариаций и мутаций дает возможность сохранить под понятием мутация моргановский смысл, как локализованное изменение генетического материала (генное, хромосомное, геномное).

Интересную периодизацию истории изучения мутационного процесса сделала Шарлотта Ауэрбах (1978), которой принадлежит честь быть среди первооткрывателей химического мутагенеза. В этой периодизации основу составляют концептуальные открытия и новые методические подходы:

Первый период: с 1900 по 1927 г. Были развиты представления о мутациях и о частоте их возникновения, разработаны методы их количественной оценки. Основной концептуальный вклад в эту область принадлежит Томасу Моргану и его школе. Морган, как уже отмечалось, "материализовал" понятие мутаций, связав их с изменениями генетических локусов хромосом. Ученик и последователь Моргана Меллер в 1921 году высказал идею о сохранении способности гена к самовоспроизведению при изменении его свойств. "Когда изменяется структура гена... каталитические свойства гена могут соответственно измениться так, чтобы сохранить его способность к автокатализу" (цит. по Ш. Ауэрбах, 1978, с. 15). Это свойство генов получило впоследствии название конвариантной редупликации.

Г. Меллеру же принадлежит концепция "скорости генетического процесса". В 1927 году он ввел в практику применяемый до сих пор на дрозофиле метод измерения этой скорости, за что получил Нобелевскую премию в 1946 г. О том, какой эффект произвела работа Г. Меллера на научное сообщество, говорит хотя бы такой факт. Открытию Г. Меллера уже 11 сентября 1927 в "Правде" была посвящена статья А. С. Серебровского под названием "Четыре страницы, которые взволновали ученый мир" (цит. по Хесин, 1972).

Период: 1927–1941г. Исследование радиационного мутагенеза и формулировка теории мишени (Н. В. Тимофеев-Ресовский и Циммер). Открытие мутагенного действия УФ-лучей. Дискуссия о природе генных мутаций, представляют ли они собой истинные точковые мутации или внутригенные перестройки (делеции и дупликации).

Третий период: 1941–1953 г. Открытие химического мутагенеза. Концепция предмутационных или потенциальных повреждений, что привело затем к открытию репарации ДНК. В эти же годы М. Е. Лобашов формулирует концепцию о возникновении мутаций в процессе нетождественной репарации клеточных повреждений.

Четвертый период: с 1953 г. до начала 1965 г. Открытие принципа устройства и репликации ДНК как носителя наследственной информации. ("Двойная спираль" Уотсона и Крика). Идея Г. Меллера об автокаталитической способности генов воплотилась в открытие авторепликации комплементарных цепей ДНК. Исследование химии нуклеиновых кислот и построение биохимической и молекулярной концепции мутагенеза. Открытие фоторепарации, мутагенной специфичности и индуцированной нестабильности. Однако несмотря на эти успехи, отмечает Ш. Ауэрбах (1978), нестабильность гена оставалась "интригующей проблемой".

Пятый период с 1965 г. до середины 70-х годов. Внимание с ДНК переключилось на клетку в целом, в центр интересов перемещается проблема потенциальных повреждений и репараций и ее связь с другими клеточными процессами. Загадки генной и хромосомной нестабильности, парамутаций остаются нерешенными.

Если продолжить линию Ш. Ауэрбах, то с конца 70-х годов и до настоящего времени можно выделить шестой период, связанный с открытием мобильных элементов, установлением ведущей роли разных форм рекомбинации как основного источника наследственных изменений. Возникновение комплекса проблем, обозначенных как "непостоянство генома".

Итак, к середине 70-х годов стало очевидно, что возникновение мутаций — это многоступенчатый клеточный процесс. В таком случае, следуя традиции Филипченко, можно рассматривать уже сами мутации с двух позиций: и как процесс, и как состояние. Сразу же выясняется амбивалентность, несовершенство традиционных определений мутаций. Вот одно из них: "Мутации — это внезапно возникающие изменения генетического аппарата организма, приводящие к тем или иным изменениям его морфологических или физиологических признаков (в совокупности называемых фенотипом организма)" (Гершензон, 1991). Здесь можно видеть попытку совместить подход де Фриза, не связывающий наследственные изменения с конкретным материальным носителем, с моргановской традицией материализации мутации (генетический аппарат, гены).

Определение С. М. Гершензона фиксирует наследственные изменения как состояние, как некий фенотипический итог. Если же задаться вопросом о мутациях как о процессе, то резонно возникают естественные вопросы: что понимать под "генетическими изменениями", что значит "внезапно" и какие изменения фенотипа относить к мутациям. Например, сам наследственный аппарат с информационной точки зрения следует относить к генотипу и в то же время его можно рассматривать как признак фенотипа (Кордюм, 1993). Проблема определения мутаций с одной стороны стала ясней, а с другой — чрезвычайно усложнилась при переходе исследований на молекулярный уровень. "Большинство генетиков сходятся во мнении, что удовлетворительного определения понятия мутации не существует, как с точки зрения причины наследственного изменения, так и с точки зрения его проявления" (Инге-Вечтомов, 1983, с. 140). Ситуация знакомая, еще раз напоминающая о важности размытых понятий в биологии и о дилемме точность — правильность (см. гл. 1).

В контексте эволюционной генетики важно подчеркнуть следующие аспекты феномена мутаций как события, происходящего во времени:

1) мутация — это итог многоступенчатых клеточных событий, среди которых главную роль играют матричные и генетические процессы;

2) процессы мутаций и рекомбинаций на молекулярном и цитологическом уровне тесно связаны, и многие изменения по существу являются мутационно-рекомбинационными;

3) наследственные и ненаследственные изменения могут иметь в основе общие механизмы и нередко четкое разграничение между ними затруднительно;

4) существование в линейной структуре большинства генетических локусов повторенных последовательностей, либо повторенности самих генов или их частей создает предпосылки для автогенетических векторных изменений;

5) наследственные изменения могут быть адаптивными, упорядоченными и их характер не случаен, но они могут зависеть от характера и направления отбора.