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. Согласно традиционным представлениям СТЭ, наследственные изменения происходят в разных направлениях, и лишь затем подхватываются отбором порознь или в комбинациях. К этим вопросам примыкает и старая проблема о наследовании приобретенных признаков.

До конца 80-х годов считалось, что генетики Лурия и Дельбрюк, ставшие впоследствии нобелевскими лауреатами, на основе так называемого флюктуационного теста, сделали решающий или круциальный эксперимент, experimentum crucis, в этой области. Они изучали мутации устойчивости бактерий к фагу лямбда и показали, что мутации устойчивости к смертельному фагу-пожирателю бактерий возникают спонтанно и с определенной частотой, независимо от контакта с фагом, и лишь затем селектируются. Особенно наглядным и убедительным оказался метод реплик, изобретенный супругами Ледерберг, когда с помощью бархатной материи получали точные копии — отпечатки опытного посева бактерий на чашке Петри. Оказалось, что, расположение устойчивых к фагу колоний было одинаковым как на чашках, где высевался фаг, так и на свободных от него чашках-копиях. Такой же результат был получен при поиске ауксотрофных (дефектных по какому-либо метаболиту) мутантов.

Эти эксперименты дали повод полагать, что бактериология перестала быть "последним оплотом ламаркизма" и что во всех остальных случаях у других организмов отбор также не приводит к появлению адаптивных наследственных изменений, а лишь селектирует их. Опыты казались необычайно убедительными и наглядными. Говоря юридически, это была правда, но не полная. Ирония судьбы состояла в том, что авторам повезло. Они работали с фагом Т1, который является вирулентным и не обладает способностью к лизогении, т. е. способностью внедряться в хромосому бактерии-хозяина и делать эту бактерию и всю дочернюю колонию устойчивой к заражению. Если бы С. Лурия и М. Дельбрюк работали с умеренным фагом лямбда, то они вынуждены были бы сделать вывод, что бактерии приобретают устойчивость к фагу именно после контакта с ним. Отчасти по этой причине авторы американской школы генетиков скептически встретили теорию лизогении, сформулированную Андрэ Львовым в 1953 году (Стент, Кэлинджер, 1981, с. 143).

Открытия в области подвижной генетики показали, что клетка как целостная система способна адаптивно перестраивать свой геном в процессе отбора. Она способна ответить на вызов среды активным генетическим поиском, а не пассивно ждать случайного возникновения мутации, которая будет угодна отбирающей среде. Понятием генетический поискбыло предложено "называть те чрезвычайные режимы работы генетической системы, когда в ней изготавливаются новые тексты ДНК" (Чайковский, 1991, с. 96). Это понятие исходят из целостных свойств клетки, ее реакцией на стресс. Поиск может включать не только создание новых текстов, но 1) изменение в количественном составе и топографии элементов ОК и ФК и 2) создание новых наследуемых эпигенных систем регуляции. Именно так можно, к примеру, трактовать данные по возникновению устойчивости клеток и организмов к ядам и агентам-цитостатикам, блокирующим клеточное деление, за счет умножения или амплификации соответствующих генов устойчивости.

Некоторые общие принципы амплификационной перестройки генома при селекции на устойчивость таковы (Восток, Тайлер-Смит, 1986; Хесин, 1984):

а) возникновение устойчивости связано с умножением числа копий или амплификацией специфического гена — устойчивости;

б) ген устойчивости амплифицируется не один, а в составе прилегающих сегментов хромосомы разного размера, до нескольких миллионов оснований ДНК; такого рода сегмент называют ампликон (King, Stansfield, 1997).

в) амплифицированные сегменты (ампликоны) принимают разные структурные воплощения, когда в исходной хромосоме возникают гомогенно-окрашенные добавочные участки, до мини-хромосом и внеядерных цитоплазматических плазмид;

г) внеядерные амплифицированные фрагменты способны вторично встраиваться в исходную или другие хромосомы.

Принципиальная схема событий, происходящих при этом в случае амплификации, показана на рис. 5, где в обобщенной форме показаны результаты отбора у одноклеточного паразитического жгутиконосца Leichmama tropica на устойчивость к метатрексату, препарату-цитостатику (Coderre, et al., 1983). Этот ингибитор клеточного деления широко применяется в медицине для остановки роста злокачественных клеток. Ген дигидрофолатредуктазы (ДГФР) инактивирует метатрексат. В случае амплификации гена ДГФР повышение устойчивости происходит за счет адаптивного преобразования генома и непосредственно связано с селективным агентом.

Отметим ряд принципиальных моментов феномена амплификации, установленных в опытах с одноклеточным жгутиконосцем лейшманией (работа проводилась в Стэнфордском университете в США, в лаборатории R. Т. Schimke, открывшем адаптивную селективную амплификацию). Итоги опытов схематически показаны на рис. 5:

Рис. 5. Неканонические наследственные изменения, связанные с амплификацией генов под действием отбора к цитостатикам.

1). Устойчивость клеток к яду или цитостатику возрастает ступенчато и при этом пропорционально увеличивается доля клеток, имеющих ампликоны с геном устойчивости. Когда устойчивость к метатрексату у лейшмании повысилась в 1000 раз, амшшфицированные внехромосомные сегменты составили до 10% ДНК в клетке. Этот феномен можно трактовать как образование пула факультативных элементов из начального облигатного или переход ОК — ФК. Произошла адаптивная перестройка генома в ходе отбора.

2). Если отбор продолжается достаточно долго, то часть амплифицированных в цитоплазме копий встраивается в исходную хромосому и после прекращения отбора достигается стабильный повышенный уровень устойчивости.

3). После удаления из среды ингибитора деления клеток число умноженных копий экстрахромосомных сегментов в ряду поколений постепенно снижается и одновременно падает устойчивость. Такое постепенное изменение выражения признаков в ряду поколений в сторону нормы по существу есть феномен длительной модификации.

4). При повторном отборе часть сохранившихся экстрахромосомных копий обеспечивает быструю автономную репликацию, и устойчивость достигается гораздо быстрее, чем в начале опыта. Возникает своеобразная ампликонная клеточная память о прошедшем отборе.

Таким образом, в этом случае адаптация основана на реорганизации генома в ходе отбора. Ситуация и вывод принципиально иные, чем в случае классических опытов С. Лурия и М. Дельбрюка, где геном клеток до отбора к летальному фагу и после отбора не отличался. В данном случае происходит совсем иное. Сначала за счет факультативной репликации появляется множество линейных и кольцевых дополнительных эстрахромосомных ампликонов, включающих ген устойчивости. Затем с помощью "незаконной" рекомбинации происходит умножение копий данного гена в хромосоме.

Если мысленно применить к процедуре метод реплик, то оказывается, во-первых, что именно контакт с селективным фактором привел к преобразованию генома и характер этого преобразования коррелирован с интенсивностью и направлением отбора. Во-вторых, дочерние клетки устойчивых клонов отличаются от исходных и друг друга в разных поколениях отбора по соотношению облигатных и факультативных элементов генома (Corderre, et al, 1983). С точки зрения эволюции генома, важно, что дуплицированные гены устойчивости "расселяются" по геному, оказываясь при этом в соседстве с другими генами и подпадая под разные системы регуляции (Босток, Тайлер-Смит К., 1986).