Формы изменчивости

Неопределённая изменчивость по Дарвину, причины которой он не знал, в рамках синтетической теории эволюции превратилась в случайную и стала единственной формой наследуемых в ряду поколений изменений генов – мутациями.

Непосредственно наблюдаемая и не разделяемая по различию причин своего возникновения изменчивость в рамках этих представлений называется фенотипической. Она разделяется на две составных части, каждая из которых вносит свой вклад в конечный результат. Первая, наследуемая, связанная с генетическими различиями – генотипическая, вторая, возникающая при воздействии внешних факторов на онтогенез и не наследуемая – паратипическая или модификационная. Соотношение этих двух компонент в формировании различных признаков может варьировать. Последняя особенность тесно связана с понятием нормы реакции, которая определяется как пределы изменения фенотипического признака при неизменном генетическом статусе. Отсюда вытекают понятия «широкая норма реакции» и «узкая норма реакции», что обычно связывается с величиной диапазона колебаний факторов среды, под влиянием которых в процессе эволюции формировались конкретный признак или свойство. Примерами могут служить стенотермные и эвритермные организмы – приспособившиеся к обитанию в узком или широком диапазоне колебаний температуры среды соответственно. Наибольшую морфологическую пластичность демонстрируют растения. Животные, в связи с возможностью активного передвижения, могут реагировать на изменения условий более оперативно – поведенческими реакциями.

Норма реакции определяется и контролируется генотипом. Следовательно, все изменения признака в пределах нормы реакции не должны передаваться следующему поколению через половые клетки и относятся к категории паратипической изменчивости.

Однако существует категория адаптивных модификаций, которые возникают при развитии особей конкретного поколения в ответ на специфические условия среды, но могут сохраняться на протяжении нескольких поколений, несмотря на изменение фактора среды, вызвавшего это изменение. Такие изменения фенотипа носят название длительных модификаций. Классическим примером таких модификаций является изменение длины брюшных щетинок у планктонного рачка Artemia salina, обитающего в солоноватоводных озёрах степной зоны, в зависимости от изменений солёности воды. У рачков, развитие которых протекает при повышенной солёности, формируется более короткое брюшко с короткими щетинками, поскольку при большей плотности воды требуется меньше усилий для поддержания плавучести. Однако, при последующем снижении солёности воды укороченные брюшные щетинки сохраняются на протяжении 3 – 4-х поколений. В рамках представлений классической генетики это явление не находило объяснений.

Такие представления о формах изменчивости, приемлемые для первой половины 20 века, не соответствуют уровню современной генетики. Стало очевидно, что возникновение мутаций — это многоступенчатый клеточный процесс. Можно рассматривать сами мутации с двух позиций - и как процесс, и как состояние. С этой точки зрения изменение нуклеотидного состава гена – только частный случай мутационных событий, редко дающий фенотипический эффект. Наследственные изменения – результат нарушения двух групп процессов: матричных и генетических. К матричным процессам относят репликацию, транскрипцию и трансляцию. Они связаны с переносом генетической информации на новые матрицы. С помощью репликации производится перекодирование ДНК→ДНК, транскрипции – ДНК→РНК, трансляции - РНК→белок.

Генетические процессы (в узком понимании термина) обеспечивают относительную устойчивость, структурную и функциональную стабильность носителей генетической информации, их закономерное распределение между дочерними клетками. К ним относятся репарация, рекомбинация и сегрегация.

Репарация – процесс исправления ошибок, например, возникших при репликации. Рекомбинация – перестановки элементов относительно друг друга, например, при кроссинговере, или внедрение в ДНК хромосом факультативных компонент типа МГЭ или вирусных частиц. Сегрегация – распределение элементов генома, обычно при митозе или мейозе клеток.

Обе группы процессов могут носить облигатный или факультативный характер, например, факультативная репликация может приводить к появлению множественных копий отдельных участков хромосомы, либо к их выходу в цитоплазму в виде самостоятельных плазмид, факультативная транскрипция – к появлению различных иРНК с одной и той же матрицы ДНК.

Появление мутаций в ходе матричных и генетических событий связано со способностью клетки к репарации повреждений. Стало ясно, что высокая стабильность ДНК в клетке не является свойством, присущим самим молекулам ДНК, как это считалось в середине 20 века, а поддерживается особой ферментативной системой, находящейся, в свою очередь, под генетическим контролем. Например, в клетках млекопитающих происходит около 5000 спонтанных повреждений ДНК в час или 120 000 повреждений генома в сутки. Из расчета на один ген и одно клеточное деление, из 252 потенциальных повреждений ДНК лишь одно реализуется в виде изменения, что дает эффективность репарации 0,996.

Классические мутации, затрагивающие гены хромосом – только один вариант наследуемых изменений. Согласно концепции Голубовского, они затрагивают облигатную компоненту (ОК) генома. Существуют ещё две формы изменчивости вариационная и эпигенетическая

Вариационная изменчивость затрагивает факультативную компоненту (ФК) генома и возникает в результате нарушения клеточного гомеостаза под влиянием факторов среды, приводящих организм в состояние стресса. Следует отметить, что обычные мутации генов хромосом при таких воздействиях возникают очень редко. Важно, что изменения типа вариаций возникают с большой частотой и носят определённый характер. Однако они не являются стойкими и при исчезновении условий, их вызвавших, могут вернуться к норме. Исследования показали, что подобные вариации могут вызываться активизацией мобильных генетических элементов (МГЭ) различной природы, в том числе и вирусными элементами. В связи с этим становятся вероятными эволюционные последствия вирусных эпидемий.

Длительное воздействие фактора, вызвавшего появление массовых вариаций в ФК, может привести к переходу элементов ФК в ядерную ДНК и закреплению их там. Таким путём массовые и определённые изменения, которые имели адаптивный характер, могут войти в состав генотипа на постоянной основе.

Эпигенетическая изменчивость связана с регуляторными процессами взаимодействия макромолекул, которые контролируются циклическими связями генов. Важно понимать, что эти изменения не связаны с изменениями нуклеотидного состава ДНК. Механизмы, приводящие к эпигенетическим эффектам, весьма разнообразны.

Одним из вариантов эпигенетических эффектов является так называемый геномный или родительский импринтинг. Эти изменения, не связанные с мутациями, затрагивают хромосомы и выражаются в различной активности входящих в них генов в зависимости от пола родителя. Этот отпечаток обычно стирается в процессе мейоза и не наследуется, заново возникая при созревании половых клеток, но в ряде случаев передаётся следующему поколению. Последнее было обнаружено и описано на молекулярно-генетическом уровне у дрозофилы и дрожжей.

В настоящее время предложены две теории, объясняющие функцию геномного импринтинга. Защитная теория объясняет роль геномного импринтинга с точки зрения защиты генома хозяина от проникновения в него чужеродных элементов. Согласно этой теории импринтинг, - это защитный механизм, обеспечивающий инактивацию паразитических последовательностей ДНК, таких как транспозоны и провирусная ДНК.

Эпигенетические системы у более высокоразвитых видов могли эволюционировать от бактериальных систем, защищающих геном хозяина от чужеродной ДНК. Бактерии имеют ферменты рестрикции-модификации, которые расщепляют такую ДНК в определённых точках. Возможно, что именно этот путь был выбран природой для защиты генома и послужил основой для дальнейшего ее развития. Высказано предположение, что эпигенетические механизмы могли предшествовать эволюции многоклеточности. Дифференцировка генетически идентичных клеток многоклеточного организма может быть обусловлена митотически наследуемыми эпигенетическими модификациями генома, различными у клеток разных тканей и связанными с выключением (репрессией) тех генов, которые не требуются в узко специализированных клетках.

Широко распространён у организмов, имеющих дифференцированные половые хромосомы (Х и Y), эпигенетический эффект, уравнивающий дозу Х-сцепленных генов между мужским (XY) и женским (XX) полом. У самок млекопитающих компенсация дозы генов возникает в результате тотальной инактивации одной из Х-хромосом в клетках с ХХ-хромосомной конституцией, которая выключает транскрипцию большинства генов, локализованных на инактивированной Х-хромосоме.

Изменение экспрессии генов может быть связано с эпигенетическими событиями, протекающими не только в клеточном ядре, но и в цитоплазме. Явление цитоплазматической наследственности - прионизация - отличается от ядерной эпигенетической наследственности и связано с модификацией белков. Это явление привлекает пристальное внимание в связи с тяжелыми нейродегенеративными заболеваниями, возникающими в результате воздействия приона - инфекционного агента белковой природы, не содержащего нуклеиновой кислоты. Они развиваются в результате накопления аномального прионового белка в мозге. Этот белок является инфекционным агентом и при попадании в организм вызывает изменение конформационной структуры нормальных прионовых белков. К числу таких заболеваний принадлежит трансмиссивная губчатая энцефалопатия – бешенство крупного рогатого скота.

Молекулярным механизмом эпигенетических изменений активности генов во многих случаях может служить явление ферментативного метилирования ДНК. Обычно этот процесс связан с присоединением метильного радикала СН₃ к цитозину (или аденину) с образованием метилцитозина. Это приводит к усилению связи его с гуанином (ЦГ), что блокирует действие ядерных белков, которые контролируют процессы репликации, транскрипции и репарации и, собственно, определяют активность генов.

Степень метилирования может быть различной по локализации в разных типах клеток одного организма, что свидетельствует об использовании этого механизма при дифференцировке тканей в процессе развития. Различается степень метилирования ДНК и у различных таксонов. Метилированная ДНК обнаружена в заметных количествах у позвоночных, у растений – почти равна количеству неметилированных участков ДНК, но почти не выражена у дрозофилы. Установлено убывание количества метилированной ДНК с возрастом, что позволяет предположить связь этого явления со старением клетки. Обнаружено возрастание метилированной ДНК нейронов мозга в процессе обучения, что является указанием на участие генома в механизмах памяти. Изменение метилирования отмечено и в ДНК клеток, которые вступают на путь злокачественного перерождения, что может служить средством ранней диагностики онкологических заболеваний. В клетке видимо имеются и другие типы эпигенетических сигналов, представленных, в частности, ядерными белками - гистонами и другими типами белков, модификации которых могут влиять на активность генов.

Основные особенности трех форм изменчивости отражены в таблице 4.2.

Таблица 4.2. Разные типы организации наследственной памяти (Голубовский, 2000)

Критерий оценки изменчивости	Мутационная	Вариационная	Эпигенетическая
Организация памяти:
кодирование	Четырехбуквенный код, число и топография генетических единиц	Соотношение ФК:ОК, число и топография фракций ФК	Регуляторные взаимодействия макромолекул
хранение	Структура ДНК	Структура ДНК	Циклические связи генов
передача	Конвариантная редупликация	Конвариантная редупликация	Распределение регуляторных молекул между дочерними клетками
Основные факторы, приводящие к появлению изменения	Ошибки процессов (1) матричных (репликация, транскрипция и трансляция) и (2) генетических (репарация, рекомбинация, сегрегация)	Ошибки (1) и (2). Внутриклеточная регуляция, онтогенетическая адаптация, биоценотические связи	Внутриклеточная регуляция, характер распределения регуляторных макромолекул между дочерними клетками
Характер появления новых изменений	Случайный, у отдельных особей, обычная частота 1:105, при действии ФК — до 20–40%	Случайный и массовый, упорядоченный	Случайный и массовый, определенный
Характер наследования в ряду поколений	Менделевский	Менделевский и неменделевский (цитоплазматический или по типу длительных модификаций)	Неменделевский, возможность "поглощения" признаков у гибридов

* * *

Два основных периода в развитии генетики в ХХ веке можно выделить на основании наиболее значимых этапов в познании структур наследственности и механизмов их функционирования. Между ними нельзя провести резкой границы, поскольку целый ряд идей, гипотез и открытий, опережая своё время, возникали задолго, порой за десятилетия, до их принятия научным сообществом. И даже после того, как они переходили в разряд определяющих основы научного знания представлений, инерция многих учёных, в том числе, к сожалению, и авторов учебников, тормозила формирование современных представлений у новых поколений биологов.

Состояние научного знания в любой момент времени (генетика – не исключение) характеризуется определённой степенью инерционности. Новые идеи нередко попадают либо в разряд курьёзов, либо рассматриваются как частности, исключения из общего правила. Частью они оказываются ложными и отмирают, но другие выдерживают проверку и занимают место, вытесняя или переводя в разряд частных случаев прежние представления. В зависимости от масштаба новой идеи, концепции они приводят к большей или меньшей ломке старых представлений, в пределе вызывая научные революции в обширных областях научного знания.

Динамика взаимоотношений между старыми и новыми концепциями в науке отчасти напоминает отношения между облигатной и факультативной компонентами генома в схеме Голубовского – зарождение нового → проверка временем → закрепление (или отвергание).

Период становления классической генетики, определяющими событиями которого были формирование хромосомной теории и открытие молекулярных механизмов хранения и передачи генетической информации, характеризовался установлением ряда ключевых положений:

· гены занимают определённое место в хромосоме (локус), расположены линейно, их число строго определено у всех особей вида;

· ДНК – носитель наследственной информации, все её изменения меняют функции конечных продуктов. Больше ДНК – больше генов;

· передача наследственной информации происходит только в направлении ДНК→РНК→белок («центральная догма» молекулярной биологии);

· порядок нуклеотидов в ДНК гена и иРНК точно соответствует последовательности аминокислот в белке, который кодируется этим геном (принцип колинеарности);

· репликация ДНК имеет место только в ядре клетки;

· для видов характерна генетическая и репродуктивная изоляция. Симбиоз в природе встречается лишь в виде исключений (лишайники).

Второй период, рубежом которого считают 80-е годы, значительно изменил представления о структуре и функциональных особенностях генома. Наиболее точно его суть отражает название книги Р.Б.Хесина – «Непостоянство генома». Наиболее важные изменения знаний о геноме сводятся к следующему:

· в геномах эвкариот имеются различные мобильные гены (МГЭ), число и положение которых может отличаться даже у разных особей одного вида; гены могут увеличивать число своих копий (амплификация), оно может варьировать;

· хромосомы эвкариот могут содержать неинформационные участки ДНК; нет соответствия между размерами ДНК и числом генов (близкие виды могут иметь одинаковое число генов, но отличаться размером генома);

· возможна передача информации от РНК к ДНК (ретровирусы с помощью фермента ревертазы); РНК может обладать свойствами фермента (рибозимы); белки могут менять структуру ДНК, которая наследуется; возможен нематричный синтез ДНК (передача информации «белок→ДНК»);

· гены эвкариот содержат фрагменты (интроны), которые после транскрипции вырезаются из иРНК и не участвуют в синтезе белка, между размерами гена и белка, который он кодирует, нет соответствия в размерах; возможно редактирование РНК перед трансляцией информации в процессе сборки белка;

· репликация ДНК происходит не только в ядре, но и в цитоплазме клетки: в митохондриях и пластидах, а также в различных типах содержащих ДНК и РНК объектов (вирусы, плазмиды и т.п.);

· симбиотическое слияние разных геномов привело в прошлом к возникновению эвкариот, симбиоз регулярно происходит в природе и в настоящее время между организмами разного уровня организации, что сопровождается взаимным обменом генетической информацией. Высказано предположение о единстве генофонда всех видов, входящих в биоценоз, а также о единстве генофонда биосферы.

Радикальные изменения ряда ключевых положений классической генетики, на которых базируется наиболее популярная среди биологов синтетическая теория эволюции (СТЭ), безусловно, оказали заметное влияние на состояние эволюционной теории и вызвали пересмотр целого ряда её положений. Анализ этих изменений будет сделан в других разделах.