Текст книги "Секреты наследственности человека"

Автор книги: Сергей Афонькин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 18 (всего у книги 26 страниц)

Откуда берется генетическое разнообразие?

 
Экономична мудрость бытия,
Все новое в нем шьется из старья
 

В. Шекспир

– Хотите разнообразия? Комбинируйте!

– Слоги генов и беков

– Как природа играет в карты?

– Гены переносятся!

– Инсулин у бактерий

– Гидры обладают характером

Когда речь идет о врожденных заболеваниях человека, обычно дело, в конечном счете, сводится к повреждению или недостаче в организме определенных белков. В одних случаях эти белки и соответствующие им гены уже найдены и охарактеризованы. В других случаях не вызывает сомнения, что они будут в обозримом будущем обнаружены. Возникает четкая картина: дефект в структуре белка ведет к нарушению функции. Если провести аналогию с миром техники, то все предельно ясно: выход из строя детали автомобиля приводит к тем или иным перебоям в его работе.

Когда мы имеем дело с очень сложными приборами, сбои в их функционировании не всегда сводятся к поломке деталей, из которых они состоят. Вспомните – телевизор можно настроить, не меняя в нем ни одной детали. Другой пример – «зависание» компьютера чаще всего никак не связано с физическими дефектами в его материнской плате. То есть, чем сложнее прибор, тем с большей вероятностью какие-то недочеты в его действии будут связаны просто с несогласованностью работы отдельных его частей, с плохой «настройкой» этого прибора.

Примерно такая же ситуация с поведением живых организмов. Изучая просто организованные существа, иногда бывает совсем несложно указать, как изменение их поведения связано с белками. Хороший пример – одноклеточная водоросль хламидомонада. Она двигается к свету с помощью всего двух жгутиков, каждый из которых состоит из нескольких типов белков. Мутации в соответствующих генах приводят к различным изменениям в этих белках. В результате появляются «поведенческие мутанты» – клетки хламидомонад, которые плавают не так, как следует. Или вообще не плавают. Этакие клетки-инвалиды получаются! В такой ситуации можно изучать генетику поведения: выделять новых поведенческих мутантов и пытаться понять, почему они ведут себя несколько иначе, чем большинство других одноклеточных этого вида.

Не надо, кстати, думать, что этот пример не имеет отношения к людям. Клетки ресничного эпителия в носу или в легких человека, а также мужские сперматозоиды обладают практически такими же жгутиками, как и многие одноклеточные организмы. Ясно, что мутации в генах, кодирующих белки этих жгутиков, будут приводить к тяжелым последствиям. Например, к мужскому бесплодию, которое порой вызвано неспособностью сперматозоидов нормально двигаться.

С изучением генетики поведения многоклеточных существ, обладающих нервной системой, особенно таких высокоорганизованных, как млекопитающие и человек, дело обстоит сложнее. Это поведение представляется чрезвычайно, разнообразным, гибким. На первый взгляд, говорить тут о генетическом наследовании определенных черт трудно, особенно когда речь идет не о заведомой патологии вроде шизофрении или эпилепсии, а о поведении достаточно обыденном, не выходящем с точки зрения обывателя за рамки принятых норм. Тем не менее, подступиться к такому интересному вопросу, как наследование определенных программ поведения можно.

Для этого для начала надо разобраться, откуда вообще в эволюции берется это ошеломляющее разнообразие жизни, как оно создается? Тогда, быть может, удастся подступиться и к разнообразию в поведении животных и человека? Давайте посмотрим, как возникает многообразие форм в природе. Для этого надо ненадолго отступить от основной темы – генетики человека – и снова вспомнить школьные уроки биологии.

Блочное строительство

Уилки Коллинз в романе «Женщина в белом» писал: «У природы столько дел в этом мире, ей приходится создавать такую массу разнообразнейших творений, что по временам она и сама не в силах разобраться во всех тех различных процессах, которыми она постоянно занимается». Попробуем прийти ей на помощь. Биологи предыдущих поколений – зоологи, ботаники, систематики – потратили немало времени на то, чтобы хотя бы вчерне описать и инвентаризировать все добро, все буйство форм и красок, доставшееся им в качестве материала для исследований. Их последователи, углубившись в недра клетки, познали законы наследования признаков и расшифровали код ДНК. Только после этого им удалось начать приближаться к решению вопроса о происхождении поистине фантастического разнообразия живой материи. Лишь в последние десятилетия, обогащенные данными молекулярной биологии и генетики, мы начинаем постепенно понимать, каким образом работает тот поистине неисчерпаемый на комбинации калейдоскоп, который природа неустанно вертит перед нашим удивленным взором.

Житейская практика подсказывает, что в основе разнообразия нередко лежит комбинирование ограниченного числа относительно несложных элементов. Комбинация из шести-семи цифр соединит вас по телефону с нужным абонентом многомиллионного города. Цвет, марка и номер делают автомашину почти уникальной. Для того чтобы написать прекрасное стихотворение, необходимо всего лишь нужным образом скомбинировать тридцать три буквы алфавита и добавить немного знаков препинания.

На последнем примере можно наглядно проиллюстрировать укрупнение подверженных комбинированию блоков при переходе с одного уровня сложности на другой, более высокий. Буквы слагаются в слоги, слоги – в слова. Из слов составляются фразы. Количество букв в алфавите любой страны совсем невелико, все значимые слова можно поместить в словарь, количество же фраз, которые из этих слов можно составить, явно не поддается никакому учету. Рассказы, повести и романы, составленные из отдельных предложений, где и как проявляется способность к комбинированию в биологии?

Практически безграничное множество органических молекул определяется способностью атома углерода и немногих, чрезвычайно распространенных в клетках элементов – водорода, азота, кислорода, серы и фосфора – соединяться в различных комбинациях. Некоторые из таких комбинаций играют ключевую роль «строительных кирпичиков» в клетках. Всего лишь двадцать аминокислот из полутора сотен известных образуют бесчисленное множество белков. Различные моносахара – глюкоза, галактоза, манноза, ксилоза – соединяясь вместе, образуют самые разнообразные полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлозу, хитин, пектин и множество им подобных органических молекул. Всего четырех нуклеотидов («букв») оказывается достаточно, чтобы с помощью их сочетаний зашифровать в ДНК всю информацию об устройстве и функционировании любого организма.

Если уподобить аминокислоты буквам алфавита, белки будут похожи на очень длинные слова. Так же, как и в словах, в белках удается обнаружить различные части. Нечто вроде приставок, корней и суффиксов. Биологи называют такие части белков доменами. Обычно они выполняют разные функции. Одни «заякоривают» белки в мембранах, другие домены реагируют с веществами-субстратами, третьи могут присоединяться к ДНК. Комбинируя различные домены, можно получать белки с разными свойствами. Рассматривая пространственную организацию белков, специалисты выделяют в них отдельные, похожие по укладке первичной аминокислотной последовательности части – так называемые альфа-спирали и бета-тяжи. В середине семидесятых годов XX века была высказана гипотеза, что эти части могут быть ориентированы различным образом и по-разному соединены друг с другом. Таким образом, и тут мы сталкиваемся со случаем, когда из небольшого числа структурных элементов получается большое количество способов их соединения и взаимного расположения.

Разумеется, клетка не в состоянии тасован, любые части белков по своему усмотрению – ведь их структура записана в генах, однако некое мозаичное строение многих белков явно проглядывает в их структуре. Поэтому не правы те критики теории эволюции, которые говорят, что создание сложного работающего белка методом случайного подбора аминокислот практически невозможно. Это, дескать, все равно, что вслепую давя на клавиатуру пишущей машинки или компьютера, получить кусок значимого текста. Природа действует иначе. Она комбинирует уже созданные ранее заготовки, блоки. Заметьте – случайно составляя слоги, уже можно получим, довольно много осмысленных слов вроде «живо», «наше», «шило». Из них уже совсем немудрено составить фразу, которая будет, иметь какой-то смысл. Например: «Наше шило живо». Отдает букварем с его Машей и рамой, но это уже фраза! Так же и с белками.

Поднимемся теперь на чуть более высокий уровень, на котором сами белковые цепи представляют собой отдельные строительные блоки. Многие ферменты состоят из нескольких таких цепей; они могут быть одинаковыми, разными, и даже выполнять разные функции. Не правда ли, и здесь чувствуется простор для комбинирования? Пример для иллюстрации – фермент лактатдегидрогеназа (он отщепляет водород), представляющий собой тетрамер. Каждая из четырех цепей может быть представлена двумя формами – А или В. В клетках встречаются все пять возможных форм: 4А, 3А1В, 2А2В, 1А3В и 4В. Другой пример – гемоглобин, также являющийся тетрамером и состоящий из двух цепей – альфа и бега. К тому же, в человеческом организме может синтезироваться сразу несколько форм каждой такой цепи. Соответственно, существуют, по меньшей мере, пять различных гемоглобинов, хотя теоретически их должно быть гораздо больше. Случаев подобного рода нетрудно набрать из любого учебника биохимии и молекулярной биологии.

Блочному строению белков соответствует мозаичное строение генов. Четверть века тому назад подобную мысль посчитали бы крамольной или безумной. Теперь же представление о прерывистом устройстве генов кажется не только привычным, но и проникающим уже порой на страницы современных школьных учебников.

В пределах многих, если не всех генов многоклеточных организмов участки, несущие информацию о белках или их частях (экзоны), чередуются с некодирующими участками (нитронами). В процессе синтеза белков с участков ДНК снимаются копии и участки, соответствующие интронам, вырезаются. Вместе с нитронами могут вырезаться и некоторые экзоны. Таким образом, с одной и той же последовательности ДНК могут быть получены разные комбинации, соответствующие несколько отличающимся белкам. Так, закрывая в длинной и невнятной фразе отдельные слова, можно получить короткие и ясные выражения. Хороший пример – прерывистый ген, кодирующий одновременно гормон кальцитонин в паращитовидной железе и нейропептид в гипофизе.

В конце семидесятых годов XX века было выдвинуто предположение, что не несущие информацию о белках интроны играли важную роль в комбинировании экзонов у древних одноклеточных и даже до клеточных организмов. Новый белок получался за счет разных комбинаций уже существовавших кусочков, закодированных в экзонах. Не удивительно поэтому, что теперь многие экзоны в ДНК соответствуют в белках их определенным участкам – доменам. На заре появления первых сложных клеток новые белки возникали, вероятно, в результате соединения и закрепления в таком положении нескольких «отрезков» ДНК. Эволюция самих генов может быть представлена не только и не столько появлением новых генов, сколько удвоением и перераспределением уже имеющихся.

Любопытно, что у современных позвоночных животных этот процесс создания белкового разнообразия путем комбинирования отдельных кусочков ДНК повторяется вновь и вновь при развитии иммунной системы. По приблизительным оценкам в организме каждого человека синтезируется до миллиона различных форм белков-иммуноглобулинов. Именно это разнообразие и обеспечивает удивительную способность организма противостоять инфекциям, распознан практически любые чужеродные белки и клетки. Столь огромное, подавляющее воображение разнообразие возникает за счет способности генов, кодирующих иммуноглобулины, появляться в процессе созревания лимфоцитов из большого, но все же ограниченного числа небольших, участков ДНК. В самом общем виде, не вдаваясь в тонкости, процесс образования генов иммуноглобулинов можно уподобить сдаче карт во время игры в покер или в подкидного дурачка. Количество карт в колоде ограничено, но число их комбинаций, которые оказываются на руках при сдаче, очень велико.

О том, как природа «играет в карты» в процессе мейоза, тасуя хромосомы родителей и создавая, в конечном счете, уникальные генетические сочетания у потомков, уже было рассказано в самом начале книги. На уровне целого хромосомного набора также может происходить комбинирование отдельных блоков. Под таким углом зрения можно рассматривать делении (утраты части хромосом), инсерции (вставки) и инверсии.

Хорошо известно, что гены способны «включаться» и «выключаться», то есть служить сиюминутным источником информации для синтеза белков, или до поры до времени такую информацию клетке не предоставлять. Поскольку у человека, по современным оценкам, должно быть около 30 тысяч генов, можете представить себе, какой практически бесконечный простор для творчества возникает из-за возможности их включать и выключать в разных комбинациях. Не лишне упомянуть при этом, что аминокислотные последовательности белков человека отличается от таковых гориллы лишь на несколько процентов. Иначе говоря, они практически совпадают. А какая значительная между нами разница! Она возникает не за счет новых «человеческих» белков, а за счет иного умелого комбинирования уже существующих. Представьте такую ситуацию: вы слышите совершенно различную фортепианную музыку. Скажем, первый концерт Рахманинова и джазовую мелодию в стиле регтайм. Бросаетесь к двум инструментам с надеждой обнаружить причины различий и находите одни и те же черные и белые клавиши! Такая же ситуация с белками и генами. Искусство эволюции состоит в умении их комбинировать.

Гены-непоседы

Существенную роль в создании генетического разнообразия принимают участие так называемые мобильные диспергированные гены (МДГ). Знамениты они тем, что не имеют определенного фиксированного «адреса» в хромосомах и могут перемещаться по геному в широких пределах, что и отражено в их названии. Диспергированные – значит расположенные в разных местах. Мобильные – значит подвижные (лат. mobilis – подвижный, быстрый, проворный). Если сравнить геном с толстой книжкой, то мобильные гены будут похожи на отдельные фразы или даже абзацы, которые оказываются каждый раз на новом месте в разных ее экземплярах или даже в пределах одной книги. Раскрываешь ее после перерыва, а несколько строчек из предисловия перескочили в заключение. С напечатанными текстами такого не случается, а вот с генами – пожалуйста! Впервые такие «непоседливые» гены были открыты в начале пятидесятых годов XX века американской исследовательницей Барбарой Мак-Клинток, изучавшей генетику кукурузы. В то время никто из биологов не верил в существование подвижных генов, и заслуженное признание пришло к ней позже, когда ее открытие было подтверждено молекулярно-биологическими методами.

В конце XX века стало очевидно, что подвижные гены присутствуют, по-видимому, у всех организмов, включая человека. В каждый момент времени геном наших клеток можно рассматривать как комбинацию положений разнообразных подвижных генов на хромосомах. Количество таких возможных комбинаций пока не оценено, но вероятно, оно очень велико. Вклад подвижных генов в функционирование и эволюцию организмов только начинает проясняться, но уже очевидно, что он может быть значительным. Мобильные диспергированные гены, например, влияют на работу соседних с ними генов и вызывают наследуемые изменения – по сути, мутагенез. Однако не это главное.

Р Б. Хесин, автор замечательной монографии «Непостоянство генома», писал, что с его точки зрения, «главная эволюционная роль перемещающихся элементов состоит в том, что они… переносят чужеродные гены между разными, подчас даже очень отдаленным организмами»., Другими словами, геномы организмов не являются совершенно замкнутыми системами, своеобразными раз и навсегда заданными множествами генов, в пределах которых возможны различные комбинации, перестановки и только. Пусть редко, пусть не всегда, однако в состав геномов может включаться чужеродная генетическая информация. Обыденная практика говорит нам, что разные виды от этого не начинают походить друг на друга. Однако если мерить скорость течения реки времени геологическими, эволюционными мерками, возможность переноса генов от одних видов к другим может объяснить многие удивительные факты.

Гормон инсулин, например, удалось обнаружить в бактериях. Основной компонент кутикулы насекомых – хитин, присутствует в клеточных стенках грибов. Полисахарид агар, выделяемый некоторыми водорослями (его используют при изготовлении мармелада), найден в бактериях рода Псевдомоиас. Список подобных примеров можно значительно расширить. Как их объяснить? Неужели все современные организмы, включая бактерий, произошли от одного предка – одноклеточного существа, которое обладало всем мыслимым набором различных соединений, встречающихся теперь в различных группах современного живого мира? Быть может, одни и те же макромолекулы были «изобретены» в процессе эволюции независимо друг от друга в различных систематических группах? Маловероятно. Скорее всего, мы имеем дело со своеобразной формой биологического плагиата – заимствования удачных «текстов ДНК».

Основное время биологической эволюции живого на Земле было потрачено на создание генных и белковых блоков и на шлифовку правил их комбинирования. Эволюции потребовалось около двух миллиардов лет, чтобы отобрать, закрепить и отшлифовать потенциально совместимые блоки и завершить, в конечном счете, формирование сложно устроенной клетки со всеми ее неисчерпаемыми возможностями для комбинирования признаков, свойств, Функций. Возникновение многоклеточных организмов, возможно, неоднократное, и их фантастически быстрая с геологической точки зрения эволюция сравним с шахматной партией, перед которой партнеры долго вытачивали и расставляли фигуры на доске.

Как и любой новый взгляд на природу, на мир, биокомбинаторика завоевывает сознание медленно, хотя сама идей создания разнообразия жизни за счет комбинирования неких частей имеет очень долгую историю. Она восходит еще к Эмпедоклу, считавшему, что сперва возникли различные части животных, затем они соединялись в различных сочетаниях. Все, что оказалось недееспособным погибло, остальное выжило. В наши дни эта идея рядится в новые формы. Сошлемся для примера на мнения заслуженных авторитетов. Выдающийся биохимик Е. М. Кребс считал, что: «Если природа нашла удачное химическое решение биологической задачи, то она сохраняет его в дальнейшей эволюции». Знаменитый французский биолог Жакоб утверждал, что эволюция действует путем «перелицовки» старого. С его точки зрения, новшества возникают путем видоизменения уже существующих систем или структур. Наиболее же эффективный способ их изменений – комбинирование составляющих их частей или блоков. Наш соотечественник А. М. Уголев, создавший в биологии целую новую область – науку о питании (трофологию), приходит к выводу, что: «…эволюция является процессом, главным содержанием которого является поиск определенных полезных сочетаний существенных функциональных блоков, сформировавшихся и меняющихся относительно мало в процессе эволюции».

Зубы в глотке?

возможности комбинирования можно продемонстрировать и на примере развития клеточных тканей. Эти возможности скрыты от глаз исследователя во время нормального развития эмбрионов, однако, их можно продемонстрировать в специальных экспериментах. Например, если опытным путем срастить вместе клетки эпителия из глотки курицы и клетки из десен мыши, то в столь необычной ситуации куриные клетки начинают производить эмаль и подчас даже формируют настоящие зубы! Таким образом, учитывая эти данные, обычный птичий клюв – продукт лишь одного режима работы эпителия из серии возможных программ. Тоже вероятно справедливо и для многих других тканей. Сформированный организм, с этой точки зрения, представляет собой определенную комбинацию, сложенную из определенных режимов работы тканей. Другой режим другие формы. Одна комбинация достаточно жестко закреплена, что, собственно, и создает впечатление четкой запрограммированности при развитии зародыша во взрослый организм, однако такая комбинация, вероятно, далеко не единственная из возможных. Эпидермис ящерицы, например, контактирующий с тканями организмов иных систематических групп, производит чешуи как на лапе курицы, так и сосочки, расположение которых напоминает распределение усов мыши или пластинки, расположение которых типично для птиц.

Все эти примеры можно рассматривать, однако, лишь как некую патологию, полученную в условиях эксперимента. Встречаются ли в природе необычные комбинации, в которых расположение тканей, органов или даже частей тела отличается от обычного? Да, такие примеры существуют!

Общий план строения целого организма может меняться довольно существенно, причем так, что это, опять-таки, создает впечатление блочности его организации. Удается, например, находить морских звезд и других иглокожих с измененной симметрией: двух, трех, четырех и шестилучевых. На задних лапах морских свинок, обычно трехпалых, иногда появляется добавочный четвертый палец. У насекомых антенны порой превращаются в ноги; у двукрылых может появляться добавочная пара настоящих крыльев, возникают вариации числа сегментов груди и брюшка. У гусениц отмечены добавочные ходильные ноги. Глаза ракообразных редко, но все же иногда превращаются в антенны.

На важность подобных редких, но очень существенных для понимания сути дела изменений, указывал еще в конце прошлого века Уильям Бетсон. Он предложил термин «гомеозис» – то есть такое изменение, когда одно становится похоже на другое. Современные биологи только начинают изучать гены, контролирующие такого рода изменения, однако уже ясно, что ни гены играют ключевую роль в пространственной блочной организации многоклеточных организмов. Существует точка зрения, что вся эволюция членистоногих от примитивных кольчатых червей через существ, подобным многоножкам, к настоящим крылатым насекомым шла по пути изменения работы гомеозисных генов. В результате менялось взаимное расположение крупных морфологических блоков. Одни сегменты сливались, другие редуцировались, третьи увеличивались…