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 бактерии выбора: либо выжить, либо умереть. Все или ничего. Но это счастливое везение оказалось и слабостью. Ибо в условиях, близких к паранекротическим, например, при метаболическом голоде, когда есть возможность выживания, характер возникновения мутаций оказался иной.

В 1988 г. в журнале "Nature" была опубликована статья Дж. Кэйрнса с соавт. о возникновении отбор-зависимых "направленных мутаций" у бактерии Е. coli (Cairns, Overbaugh, Miller, 1988; Cairns, 1988). Брали бактерии, несущие мутации в гене lacZ лактозного оперона, неспособные расщеплять дисахарид лактозу. Но эти мутанты могли делиться на среде с глюкозой, откуда их через 1–2 дня роста переносили на селективную среду, где был только один источник углеводов — лактоза. Отобрав сперва lac-плюс реверсов, которые, как и ожидалось, возникли еще в ходе "глюкозных" делений, нерастущие клетки оставляли в условиях углеводного голодания. Сначала мутанты отмирали. Но спустя неделю и более наблюдался новый рост за счет вспышки реверсий именно в гене lacZ. Как будто клетки в условиях жесткого стресса не делясь(!), вели генетический поиск и адаптивно меняли свой геном.

Вслед за тем появилась серия работ Барри Холла (Hall, 1990, 1992) на другой генетической системе. Бактерии, мутантные по гену утилизации триптофана, помещались на среду, лишенную триптофана, и оценивалась частота реверсий к норме. Частота реверсий повышалась именно в условиях триптофанового голодания, т. е. когда реверсии были адаптивными, нежели при выращивании бактерий на полной среде, когда реверсии были нейтральны. Не сами условия голодания были причиной этого феномена, ибо на среде с голоданием по цистеину частота реверсий к trp⁺ не отличалась от нормы.

В следующей серии опытов Б. Холл взял уже двойных ауксотрофных по триптофану мутантов, несущих одновременно мутации в генах trpA и trpB, и вновь поместил бактерии на среду, лишенную триптофана. Выжить могли только особи, у которых одновременно возникли реверсии в двух триптофановых генах. И такие особи возникали с частотой в 100 миллионов раз выше, чем ожидалось при простом вероятностном совпадении мутаций в двух генах. Б. Холл предпочел называть этот феномен не "направленные", но "адаптивные мутации". Затем он показал, что адаптивные мутации возникают и у дрожжей, т. е. у эукариот (Hall, 1990; 1991; 1992).

Появились и другие подобные публикации, проанализированные в обзорных статьях (Foster, 1993; Lenski, Mittler, 1993). В случае гистидинового голодания возникновение мутации к his⁺ оценивалось четырьмя разными методами и было показано, что именно фактор гистидинового голодания вызывает адаптивные мутации. Причем, такие же реверсии у гистидинового локуса, расположенного на плазмиде, происходили гораздо чаще (Гизатулин, Лезин, Бабынин, 1995). Другой важный факт состоит в том, что в случае дефекта в генах, контролирующих гомологичную рекомбинацию (recА, recВ), или контролирующих перенос плазмид при конъюгации бактерий, феномен адаптивных мутаций не наблюдался.

Появление статей Дж. Кэйрнса и Б. Холла немедленно вызвало бурную дискуссию. И первый резко критический отклик был от молекулярного генетика Ф. Шталя с характерным названием "Единорог в саду" (Stahl, 1988). Метафорический намек на воскрешение старых мифов об адаптивности наследственных изменений. Другие мнения участников дискуссии в следующих номерах "Nature" не были столь категоричными. После публикаций Б. Холла, подтвердивших данные Дж. Кэйрнса, Ф. Шталь вскоре значительно смягчил свою позицию, опубликовав вторую заметку "Ревизия единорога" (Stahl, 1992), где, признавал достоверность фактов, но предложил свою гипотезу, не выходящую за привычные рамки.

Определенным итогом первого раунда дискуссии можно считать появление на авансцене дебатов одного из ведущих исследователей в области подвижной генетики Джеймса Шапиро с продолжением метафоры о единороге: "Адаптивные мутации: кто же действительно находится в саду" (Shapiro J., 1995). Дж. Шапиро кратко обсудил две основных идеи. Во-первых, клетка содержит биохимические комплексы или системы "естественной генетической инженерии", которые способны реконструировать геном. Активность этих комплексов, как и любая клеточная функция, может резко меняться в зависимости от физиологии клетки.

Примером зависимости работы генетических систем от цитофизиологии может служить не только система SOS-репарации, но и ответ клеток на тепловой шок. В последнем случае цитофизиологи установили многоступенчатую систему адаптивного ответа, которая включает 1) прямое увеличение клеточной термостабильности (приобретенная толерантность) и 2) изменение белкового синтеза за счет включения белков теплового шока, или стрессовых белков (Александров, 1985; Alexandrov, 1994).

Далее, замечает Дж. Шапиро, мутабильность, или оценка частоты возникновения наследственных изменений всегда оценивается не для одной клетки, а для клеточной популяции. А в клеточной популяции клетки могут обмениваться между собой наследственной информацией. Возможен межклеточный горизонтальный перенос с помощью вирусов или передачи сегментов ДНК, и этот перенос усиливается в стрессовых условиях. Подобная идея уже высказывалась в книге В. А. Кордюма (1982).

Эти два механизма Дж. Шапиро считает достаточными для объяснения феномена адаптивных мутаций и возвращения его в русло обычной молекулярной генетики. Каковы же, на его взгляд, итоги дискуссии? Да, в саду не оказалось мифического единорога с хвостом льва. Однако вместо "слепого часовщика" (метафора Доукинса о механизме эволюции путем слепого естественного отбора) "мы нашли там генетического инженера с впечатляющим набором замысловатых молекулярных инструментов для реорганизации ДНК-молекулы" (Shapiro, 1995). Познание работы этих инструментов — дело будущего.

В заметке "Третий путь" Дж. Шапиро (Shapiro, 1997) выступает в роли арбитра в споре последовательных неодарвинистов со сторонниками креационизма. Со стороны первых выступает зоолог и этолог Ричард Доукинз (или Докинз, R. Dawkins), автор известной талантливой книги "Эгоистичный ген", где он называет себя "страстным дарвинистом". Некоторые его подходы и терминология о том, что нетранслируемая ДНК может рассматриваться как своекорыстный паразит, были подхвачены и развиты молекулярными биологами Ф. Криком и Оргелом в гипотезе эгоистичной ДНК (Докинз, 1993, с. 248). Докинз проводит интересные параллели между биологической и культурной эволюцией и вводит, по аналогии с геном удобный эвристичный термин "мим" для обозначения наследуемых единиц культурных стереотипов, а также термин "мимофонд", по аналогии с термином А. С. Серебровского генофондом.

Сделаем отвлечение, чтобы на примере Доукинза еще раз критически проиллюстрировать методологию сторонников неодарвинизма или СТЭ, которая имплицитно (неявно) доминирует во многих генетико-эволюционных построениях (см. также гл. 2). Для Доукинза нет решительно никаких преград для объяснения любых особенностей морфологии и поведения организмов любого уровня путем селекционно-адаптивного дарвиновского толкования. Так, в главе о половом отборе он делает попытку ответить на вопрос, почему человек утратил приапову кость или бакулум, "ведь у многих млекопитающих в пенисе и в самом деле имеется бакулум — кость, придающая ему жесткость и помогающая поддерживать эрекцию,... она есть даже у ближайших родичей человека — шимпанзе, хотя она у них очень мала". Вот объяснительная гипотеза Доукинза: "Совершенствуя под действием естественного отбора свои диагностические способности, самки могут собирать по крупицам всевозможные данные о состоянии здоровья самца и судят о его способности справляться со стрессовыми ситуациями по напряженности и положению пениса. Однако, наличие кости помешало бы этому! Не нужно быть особенно сильным или выносливым, чтобы иметь кость в пенисе; это доступно всякому. Таким образом, селективное давление со стороны женщин привело к утрате мужчинами бакулума, потому что только по-настоящему здоровые мужчины способны на действительно стойкую эрекцию, позволяющую женщинам поставить без помех правильный диагноз".

Огрехи подобного рода чисто селекционистского толкования состоят в том, что гипотезы изобретаются "пост-фактум" и по всякому случаю новые, исходя из убежденной веры во всемогущество отбора и адаптивности любых различий между видами. Ведь если бы у мужчин сохранилась приапова кость, Доукинз столь же остроумно на основе селектогенеза истолковал нам, почему это так и есть.

Дж. Шапиро в своем комментарии замечает, что уже на уровне клетки за последние десятилетия была открыта такая "непредвиденная сфера сложности и координации, которая более совместима с компьютерной технологией, нежели с механизированным подходом, доминировавшим во время создания неодарвинистского современного синтеза. Можно назвать, по крайней мере, четыре группы открытий, изменивших понимание клеточных биологических процессов" (Shapiro, 1997). Они обсуждаются или упоминаются в разных главах этой книги, но имеет смысл суммировать их здесь.

1. Организация генома. Генетические локусы у эукариот устроены по модульному принципу, представляя собой конструкты из регуляторных и кодирующих модулей, общих для всего генома; это дает возможность быстрой сборки новых конструктов и создает мощные возможности регуляции генных ансамблей. Локусы организованы в иерархические сети, во главе с главным геном-переключателем (как в случае регуляции пола или развития глаза), причем многие из соподчиненных генов интегрированы в разные сети, они функционируют в разные периоды развития и влияют на множество признаков фенотипа. Селектогенные истолкования вплоть до 70-х годов в терминах случайных мутаций и "слепого естественного отбора" (терминология Доукинза), не приемлемы более, ибо молекулярные основы клеточной генетической изменчивости совсем иные.

2. Репаративные возможности клетки. В клетке есть эшелонированная система репараций на уровне репликации, транскрипции и трансляции (разделы 4.3 и 5.1). Клетки вовсе не пассивные жертвы случайных физико-химических воздействий.

3. Мобильные генетические элементы и природная генетическая инженерия (см. разделы 4–5, 4.7). Работа иммунной системы построена на непрерывном конструировании новых вариантов молекул иммуноглобулинов на основе действия природных биотехнологических систем (нуклеазы, лигазы, обратные транскриптазы, полимеразы и т. д). Эти же системы используют мобильные элементы для создания новых наследуемых конструктов. При этом генетические изменения могут быть массовыми и упорядоченными. Открытие того, что реорганизация генома есть один из основных биологических процессов уходит корнями в пионерские работы Барбары Маклинток, выполненные на кукурузе с конца 40-х до 60-х годов. Именно она, подчеркивает Дж. Шапиро, впервые связала эти генетические события с регуляцией экспрессии генов в разных онтогенетических программах у растений. Теперь мы можем оценить ее выдающуюся мудрость и предвидение, ибо подобно всем клеточным функциям, природные генно-инженерные системы регулируются системами с обратной связью, они до поры до времени пребывают в неактивном состоянии, но приводятся в действие в ключевые периоды или во время стресса.

4. Клеточный информационный процессинг. Возможно, одно из самых важных непредвиденных открытий в области биологии клетки состоит в том, что клетка непрерывно собирает и анализирует информацию о ее внутреннем состоянии и внешней среде, принимая решение о росте, движении и дифференциации. Особенно показательны механизмы контроля клеточного деления, что лежит в основе роста и развития. Процесс митоза универсален у высших организмов и включает три последовательных этапа: G1 (подготовка к делению), S-фаза, репликация хромосом и G2, завершение деления клетки. Анализ генного контроля этих фаз привел к открытию особых контрольных точек или check points, в которых клетка проверяет, произошла ли репарация нарушений в структуре ДНК на предыдущем этапе или нет. До тех пор, пока не будут исправлены все неточности или неисправности одного этапа, последующий этап не запускается. Если же ошибки не удалось исправить, то делается другой выбор: запускается генетически запрограммированная система клеточной смерти или апоптоза (Murray, Hunt 1993). Клетка действует целенаправленно, подобно компьютеру, когда при его запуске шаг за шагом проверяется нормальная работа основных программ, и в случае неисправности работа компьютера останавливается.