Книга: Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

Основные генетические термины

Основные генетические термины

• ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота. Очень длинная полимерная молекула, состоящая из четырех типов нуклеотидов, содержащих информационные «основания» А (аденин), G (гуанин), С (цитозин) и Т (тимин). Хромосомы представляют собой длинные последовательности ДНК, включающие миллионы оснований (в клетках эукариот хромосомная ДНК соединена с белком). Молекула ДНК в хромосоме находится в форме двухцепочечной спирали (см. гл. 2). Символически последовательность нуклеотидов в ДНК можно записать так:

5'-AGCTTATTGCATAAGCGCGAT-3'

• 5'и3'

Это - обозначения соответственно левого и правого концов последовательности оснований ДНК или РНК.

• Генетический код

Участок ДНК, который кодирует информацию, определяющую последовательность аминокислот (белок), считывается триплетами оснований, или кодонами. Например, вышеприведенная последовательность триплетов, прочтенная слева направо, должна кодировать следующую последовательность аминокислот:

Ser-Leu-Leu-His-Arg-Asp

• РНК

Рибонуклеиновая кислота. Очень длинная полимерная молекула, похожая на ДНК; в ее состав входят четыре типа оснований А (аденин), G (гуанин), С (цитозин) и U (урацил), Информационная РНК, которая кодирует аминокислотную (белковую) последовательность, скопирована с гена. РНК обычно одноцепочечная. Например, символическую последовательность оснований информационной РНК можно записать так:

5'-AGCUUAUUGCAUAAGCGCGAU-3'

Обратите внимание: это та же последовательность, что и приведенная выше последовательность ДНК, только вместо Т стоит U. Т в ДНК функционально то же самое, что U в РНК.

• Нуклеиновые кислоты

Химический термин для обозначения ДНК и РНК.

• Белки (протеины)

Белки - это длинные полимеры, состоящие из аминокислот. Вместе с сахарами и жирами белки являются строительными блоками нормальной соматической клетки. Химическое строение аминокислоты совершенно иное, чем нуклеиновой кислоты.

• Аминокислоты - это основной составляющий элемент полимерной аминокислотной цепочки, называемой белком. Основания - «буквы» - нуклеиновых кислот читаются по три сразу как набор триплетных кодонов, причем каждая аминокислота кодируется одним или несколькими триплетами. Белки всех живых систем состоят из 20 обычных аминокислот: Gly (глицин), А1а (аланин), Val (валин), Leu (лейцин), Ile (изолейцин), Pro (пролин), Рпе (фенилаланин), Туг (тирозин), Тгр (триптофан), Ser (серин), Thr (треонин), Cys (цистеин), Met (метионин), Asn (аспарагин), Gln (глутамин), Lys (лизин), Arg (аргинин), His (гистидин), Asp (аспарагиновая кислота) и Glu (глутаминовая кислота). Белковую последовательность (как показано выше) можно записать так: Ser-Leu-Leu-His-Lys-Arg-Asp

• Соматические клетки

Клетки тела многоклеточного организма.

• Половые клетки

Сперматозоид и яйцеклетка, при слиянии которых образуется зигота и формируется новый организм.

• Антитело

Белок, продуцируемый белыми кровяными клетками (В-лимфоцитами), который помогает избавить организм от инфекционного чужеродного агента.

За последние 25 лет создано много новых молекулярно-биологических методов манипулирования с ДНК, например, удаление оснований, вставки, сшивание и амплификация (размножение) клонированных фрагментов. Эти методы значительно повысили уровень знаний о процессах, создающих естественную генетическую изменчивость. Действительно, молекулярные биологи работают с нуклеотидньши последовательностями почти так же, как с текстами, предложениями и буквами на экране компьютера. Объединение молекулярных методов с компьютерными технологиями дает возможность искать ответы на новые и важные вопросы о происхождении человека, природе заболеваний (например, СПИДа), причинах мутаций. В ходе этой работы появляется много информации, проливающей свет на эволюционный процесс.

Последовательности ДНК многих сходных по функции (гомологичных) генов и последовательности аминокислот белковых продуктов этих генов похожи у разных организмов — от бактерий до высших растений и животных. Например, известен белок цитохром С, выполняющий важную роль в производстве внутриклеточной энергии (энергетическая молекула называется АТФ) в результате «сжигания» пищевых молекул, поглощенных живой клеткой. Сравнение последовательностей нуклеотидов в ДНК (или последовательностей аминокислот) генов цитохрома С разных видов показало, что этот ген (за исключением редких мутаций) практически одинаков у всех видов, использующих АТФ. Он обнаруживается и у грибов, и у насекомых, и у высших растений, и у животных. И это несмотря на то, что миллион миллионов лет, а может быть и больше, отделяет эти виды от их общего предка (рис. 1.4). Такая картина молекулярной эволюции, свидетельствующая о гомологии ДНК-последовательностей в разное время и у разных видов, повторяется для сотен хорошо изученных генов и является убедительным доказательством факта эволюции. Жаркие споры идут не о самом факте эволюции, но о механизмах эволюции на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях.

Еще одно обстоятельство, оказавшее влияние на отношение к основной идее Ламарка, связано с созданием стройной системы взглядов, необходимой для развития современной генетики. Большая часть ранних работ по генетике была бы невозможной без концепции относительно стабильного гена. Начало этой концепции положено работой августинского монаха Грегора Менделя (1859 г.), законы которого были переоткрыты Гуго де Фризом и другими в начале XX века. Со временем представление о генах как о стабильных менделевских единицах наследственности, нанизанных на хромосому «как бусины на нитку», стало широко принятым. Считалось, что гены, экспрессирую-щиеся в разных органах взрослых растений и животных, защищены в половых клетках барьером Вейсмана и передаются потомкам практически неизменными. Происходит только перемешивание и перетасовка генов в результате генетической рекомбинации отцовских и материнских хромосом во время формирования половых клеток в ходе особого клеточного деления, называемого мейозом (см. таблицу 1.1).

Концепция стабильного гена способствовала развитию современной генетики в контексте идей Дарвина. Выявление и определение генетических связей между родителями и их потомками были бы совершенно бессмысленными в мире, где любое соматическое изменение могло бы быстро включаться в половые клетки. Например, в менделевских экспериментах по скрещиванию разных форм гороха нельзя было бы сформулировать идею о рецессивных и доминантных генах для разных признаков, если бы гены могли изменяться в каждом поколении под влиянием среды.

Рис. 1.4. Увеличение разнообразия форм жизни на Земле в ходе эволюции. Новейшие филогенетические древа, включающие основные клеточные формы жизни — экстремофилы, или археи, истинные бактерии (прока-риоты) и высшие клетки с окруженным мембраной ядром (эукариоты) — можно найти в книгах Вез (Woese, 1994) и Мадигана и Марса (Madigan, Marrs, 1997). По современным оценкам самая ранняя клеточная форма возникла примерно 3,9 млрд. лет назад (Holland, 1997). Фред Хойли и Чандра Викрамасинх (Hoyle, Wickramasinghe. «Our Place in the Cosmos») приводят убедительные свидетельства того, что многие тела Солнечной системы, особенно кометы, а также планеты с органической атмосферой (аммиак, метан) изобилуют клеточными формами жизни. Таким образом, ранняя химическая эволюция могла происходить не на Земле. Более того, свидетельства, представленные Хойли и Викрамасинхом, наводят на мысль, что за последние 4 млрд. лет Земля много раз заражалась клеточными или вирусными генетическими системами, возможно, во время прохода нашей Солнечной системы через плотные молекулярные облака Млечного Пути.

Именно на этом историческом фоне мы хотим обосновать необходимость использования идей Ламарка о вызванных средой быстрых генетических изменениях и обратной связи между сомой и зародышевой плазмой для объяснения процессов, происходящих в иммунной системе позвоночных. Современные данные, по нашему мнению, вполне согласуются с ламаркистскими представлениями о наследовании приобретенных признаков.

В 1979 г. Тед Стил высказал эту идею в книге Somatic Selection and Adaptive Evolution (Соматический отбор и эволюция). Книга вызвала бурную дискуссию. Одни называли такие взгляды хулиганством и еретичеством, другие полагали, что они знаменуют начало новой главы биологии. Боб Бландэн (Blanden) был среди тех, кто с энтузиазмом воспринял идею о том, что ламар-ковские механизмы работают — по крайней мере в иммунной системе. Тесное плодотворное сотрудничество Теда Стила и Боба Бландэна не только помогло им выдержать бурные научные споры конца 1970-х—начала 1980-х годов, оно внесло большой вклад в развитие аргументов, поддерживающих гипотезу о ламаркистском наследовании в иммунной системе. Наш взгляд на эту проблему можно сформулировать так: «если наследование приобретенных признаков в иммунной системе не является истинным фактом, то единственная альтернатива этому — существование разумного манипулятора генами, т. е. признание «божественного вмешательства».

Теперь оставим историю и займемся анализом существующих молекулярных и генетических данных, которые привели нас к гипотезе о том, что в иммунной системе позвоночных действуют ламарковские механизмы.

Гл. 2 мы начинаем с элементарного описания генов и основного закона молекулярной и клеточной биологии о движении генетической информации в живых системах, т. е. с центральной догмы молекулярной биологии. Некоторые основные понятия (ДНК, РНК, основания A, G, С и T/U, белки) уже даны в табл. 1.2. В гл. 2 мы вкратце изложим современную точку зрения на ранние этапы эволюции. По-видимому, первой информационной молекулой, способной к дарвиновской эволюции, была РНК. Но, как ни парадоксально, первичный генетический материал во всех клетках и у многих вирусов — это ДНК. Почему?

В гл. 3, 4 и 5 мы обсудим дарвиновский процесс «выживания наиболее приспособленных», который идет в популяциях белых кровяных клеток (лимфоцитах), когда иммунная система борется с инфекционным агентом. (В нашу эпоху СПИДа тысячи биологов занимаются исследованием молекул и клеток иммунной системы млекопитающих.) В гл. 5 мы изложим современную точку зрения на молекулярные процессы, протекающие в иммунной системе, и подчеркнем, что идеи Дарвина и Ламарка взаимно дополняют друг друга.

Гл. 6 ключевая в нашей книге. Именно в ней мы пытаемся обосновать нашу гипотезу о проницаемости барьера Вейсмана за эволюционное время, по крайней мере для V-генов иммунной системы. Центральная информационная молекула в этой «драме» уже не стабильная двухцепочечная ДНК (в которой последовательностями нуклеотидов А, G, С и Т записана генетическая информация), а сравнительно нестабильная молекула-посредник РНК.

В гл. 7 мы исследуем интересные факты наследования некоторых анатомических структур человека и животных. Приводятся данные о том, что самцы грызунов с индуцированными диабетом и другими эндокринными нарушениями часто передают i свои измененные свойства потомкам. В этой главе мы также рассмотрим свидетельства за и против существования обратной связи сомы и зародышевой линии для других органов и тканей. Это то же самое, что обсуждать, имеет ли дарвиновская теория пангенезиса всеобщее значение. Мы выдвигаем на первый план проблемы, решение которых чрезвычайно важно для современной молекулярной генетики.

Наконец, в эпилоге мы подробно, хотя и умозрительно, обсудим некоторые более широкие приложения идей Ламарка. Например, мы рассмотрим их значение для генетической инженерии, включающей соматическую генотерапию, и концепцию «генетической ответственности». Мы также воспользуемся возможностью ответить на критику нашей теории.