ГЛАВА 8. НАСЛЕДУЮТСЯ ЛИ ПРИОБРЕТЕННЫЕ ПРИЗНАКИ?

ГЛАВА 8. НАСЛЕДУЮТСЯ ЛИ ПРИОБРЕТЕННЫЕ ПРИЗНАКИ?

От Ламарка к Дарвину

 Первое из этих предположений объясняло, почему организмы так хорошо приспособлены к условиям своего существования. В течение жизни они используют свои органы по-разному: одни — чаще и интенсивнее, другие — реже и слабее. Те органы, которые все время тренируются, крепнут и растут, а те, которые почти или вовсе не используются, постепенно уменьшаются и слабеют. Небольшие изменения, возникающие вследствие такой избирательной тренировки органов, передаются по наследству потомкам. Например, если животное питается листьями высоких деревьев, ему приходится все время вытягивать шею. Шея тренируется, крепнет и немножко удлиняется. Потомство такого животного получит уже от рождения немного более длинную шею. Так, по мнению Ламарка, появились жирафы. Если какая-то птица перестает летать, переходит к наземной жизни, то ее крылья от долгого неупотребления атрофируются. Так возникли нелетающие птицы с рудиментарными крыльями.

 Второе предположение Ламарка — внутренняя "тяга к совершенству". Оно объясняло постепенное усложнение организмов, появление новых органов и тканей. Время от времени некоторые ученые продолжают возвращаться к этой идее Ламарка. Например, известный палеонтолог, эволюционист и философ-богослов Пьер Тейяр де Шарден, один из первооткрывателей знаменитого пекинского синантропа, полагал, что неуклонно происходящее в ходе эволюции повышение уровня организации живых существ не может быть объяснено отбором случайных мутаций и служит доказательством присутствия какой-то особой направляющей силы. Шарден называл ее "радиальной энергией", потому что, по его мнению, она движет эволюцию к некому абсолютному средоточию, или центру, к "точке Омега".

 Что же изменил Дарвин в теории Ламарка? Он отказался от второй посылки своего предшественника, от "тяги к совершенству", и предложил гораздо более простой и понятный механизм эволюционных изменений, которого теория Ламарка не предусматривала, — естественный отбор. Механизм эволюции, по Дарвину, основан на четырех базовых принципах. Первый из них — это борьба за существование: она происходит оттого, что каждый организм производит заведомо больше потомков, чем способно выжить. Второй — изменчивость: Дарвин еще не знал о генетике и не мог точно сформулировать причины и законы изменчивости, но сам факт был очевиден — все организмы немножко разные. Третий принцип — избирательное выживание или избирательное размножение наиболее приспособленных — это и есть собственно естественный отбор. И наконец, четвертая основа эволюции — это наследственность, благодаря которой свойства, обеспечившие данной особи победу в борьбе, передаются ее потомству.

 В силу странного стечения обстоятельств сейчас, когда противопоставляют "дарвинизм" "ламаркизму", имеют в виду вовсе не отношение к идее "стремления к совершенству", то есть вовсе не то, что действительно различало взгляды двух великих естествоиспытателей. Сложилось ошибочное мнение, что Дарвин якобы опроверг первый постулат Ламарка о наследовании приобретенных признаков и доказал, что наследуются только признаки врожденные.

 На самом деле Дарвин не только не отвергал эту ламарковскую идею — напротив, она многократно упоминается в знаменитом "Происхождении видов" и признается Дарвином как самоочевидная (Например, в главе 14 "Происхождения видов" ( http://charles-darwin.narod.ru/origin-content.html) Дарвин отмечает: "Изучение наших домашних форм указывает нам, что неупотребление органов ведет к их уменьшению и что результаты неупотребления могут передаваться по наследству"). Дарвин даже развил ее, выдвинув в книге "Изменения животных и растений при одомашнении" теорию пангенеза. Этот факт часто замалчивался сторонниками синтетической теории эволюции (СТЭ), которая сложилась в начале — середине XX века из сплава учения Дарвина и достижений генетики. И это неудивительно, ведь дарвиновская теория пангенеза противоречит основной догме неодарвинизма — утверждению, согласно которому вся информация может передаваться от генов к белкам только в одном направлении, то есть по принципу "генотип определяет фенотип".

 Теория пангенеза была призвана объяснить механизм наследования приобретенных признаков. Дарвин предположил (не забываем, что дело происходило до возникновения генетики), что в клетках организма образуются особые мелкие частицы. Он назвал их "геммулами", или "пангенами". Геммулы содержат в себе сведения о тех изменениях, которые клетки претерпели в течение жизни. С током крови геммулы разносятся по организму и в конце концов проникают в половые клетки. Таким образом потомству передается информация о приобретенных признаках.

 Догма о невозможности наследования приобретенных признаков начала складываться через несколько лет после смерти Дарвина, в основном благодаря усилиям немецкого ученого Августа Вейсмана. Он показал, что, если отрубать крысам из поколения в поколение хвосты, это не приводит к рождению бесхвостых крысят. Другой эксперимент состоял в том, что черным мышам пересаживали яичники белых мышей. У тех мышек, которым удавалось выжить после этой экзекуции, мышата рождались белые. На основании этих и других подобных экспериментов был сформулирован принцип "Вейсмановского барьера": клетки тела не могут передавать информацию половым клеткам. Следовательно, ни внешние воздействия, ни приобретенный опыт, ни упражнение органов не могут приводить к адекватному или хотя бы отчасти неслучайному изменению наследственности.

 Развитие молекулярной биологии еще сильнее укрепило в сознании ученых этот барьер, действительно превратив его в догму. Было установлено, что наследственная информация записана в молекулах ДНК особым кодом, который был расшифрован в 60-е годы XX века. Информация, записанная в ДНК, сначала должна быть "переписана" на молекулу РНК. Затем специальные сложные молекулярные комплексы — рибосомы — считывают информацию с молекулы РНК, синтезируя молекулу белка в точном соответствии с записанной в РНК инструкцией. Белки выполняют огромное множество функций, и в конечном счете именно они в основном определяют облик организма (фенотип). Таким образом, информация движется в одном направлении — от ДНК к РНК, от РНК — к белкам. Никаких механизмов переноса информации в обратную сторону — от белков к РНК или от РНК к ДНК — поначалу обнаружено не было, что и укрепило веру в невозможность такого переноса.

 Потом, правда, оказалось, что есть вирусы, у которых хранилищем наследственной информации служат молекулы РНК (а не ДНК, как у всех прочих организмов), и у них есть специальные ферменты, которые умеют осуществлять обратную транскрипцию, то есть переписывать информацию из РНК в ДНК. Созданная таким путем ДНК встраивается в хромосомы клетки-хозяина и размножается вместе с ними. Поэтому с такими вирусами очень трудно бороться (один из них — это вирус ВИЧ). Но вот "обратной трансляции" — переписывания информации из белков в РНК — так ни у кого и не обнаружили. По-видимому, такого явления в природе действительно не существует.

 

 С легкой руки одного из первооткрывателей структуры ДНК Френсиса Крика идея об однонаправленной передаче информации в ряду ДНК — РНК — белок стала именоваться "центральной догмой молекулярной биологии" (Crick F. Central Dogma of Molecular Biology // Nature. 1970. V. 227. E 561-563.). Впрочем, позже Крик признался, что использование термина "догма" принесло больше неприятностей, чем оно того стоило.

 Торжество лысенковщины в СССР и особенно репрессии против генетиков привели к окончательной дискредитации ламаркизма на Западе и догматизации принципа Вейсмана. Наука в очередной раз смешалась с политикой, что ей категорически противопоказано. Это не пошло на пользу ни советской, ни западной биологии. Два противоположных подхода к проблеме наследственности сошлись в смертельной схватке. Вопрос состоял уже не в том, могут ли наследоваться приобретенные признаки. Речь шла о борьбе двух "научно-социальных" систем: социалистической лысенковщины и буржуазного вейсманизма. После того как Лысенко утратил свое влияние, советская биология постепенно вернулась в русло мировой науки, вовсю занявшись генетикой. Но последствия этой коллизии дают о себе знать и по сей день: многих генетиков, как российских, так и зарубежных, до сих пор передергивает при одном упоминании о возможности наследования приобретенных признаков.

 Однако реальные факты показывают, что приобретенные признаки иногда все же могут передаваться по наследству. Безусловно, это происходит редко, это вообще нетипично, и случается такое только с некоторыми специфическими категориями наследственных признаков, которые можно назвать "приобретенными" лишь с определенной долей условности. Такие банальные вещи, как натренированные мышцы или отрезанные хвосты, конечно, не наследуются никогда. Однако по мере того, как наука все глубже проникает в тайны молекулярной организации живой клетки, становится все очевиднее, что организмы не передают своим потомкам приобретенные ими в течение жизни свойства не потому, что не могут, а потому, что не хотят. С чисто "технической" точки зрения определенные возможности такого рода у живых организмов имеются.

 Конечно, изменения, происходящие в клетках тела в течение жизни, отражаются в первую очередь на белках, но не только. В каждой клетке есть и РНК, и ДНК, и изменения могут затронуть и их тоже. Перед каждым клеточным делением все молекулы ДНК в клетке удваиваются: ферменты ДНК-зависимые ДНК-полимеразы синтезируют точные копии имеющихся ДНК, которые потом распределяются между дочерними клетками. Однако при копировании иногда возникают ошибки — мутации. Если мутация возникает при образовании половой клетки, она, естественно, передается по наследству. В ортодоксальной СТЭ образца начала 60-х годов ХХ века было принято считать, что мутации происходят совершенно случайно (теперь мы знаем, что это не всегда так: см. главу "Управляемые мутации"). Так возникает изменчивость, служащая материалом для естественного отбора.

 Но мутации могут происходить при делении любых клеток тела, а не только при образовании яйцеклеток и сперматозоидов. Такие мутации называются соматическими, от "сома" — тело. Они приводят к возникновению участков измененных тканей. Соматические мутации могут быть вызваны различными воздействиями внешней среды и в какой-то мере отражают эти воздействия, то есть несут некую информацию о них. Маловероятно, чтобы такого рода информация могла оказаться полезной следующим поколениям. Хотя возможно и такое, особенно если речь идет о контролируемых перестройках генома соматических клеток, о которых мы говорили в главе "Управляемые мутации". Тем не менее, если бы соматические мутации могли наследоваться, это вполне можно было бы назвать "наследованием приобретенных признаков", хоть и не совсем в том смысле, который вкладывал в это понятие Ламарк.

 Классическая генетика отрицает возможность наследования соматических мутаций. Считается, что изменения клеток тела никак не могут отразиться на генах половых клеток. По-видимому, в большинстве случаев это утверждение справедливо. Но природа, сколько бы мы ее ни изучали, всегда остается неизмеримо сложнее любых наших теорий, моделей и прогнозов. И из всякого придуманного нами "закона" обязательно находятся исключения. В данном случае исключения тоже существуют.

Горизонтальный обмен генами

 Тем не менее многоклеточные животные и растения время от времени заимствуют гены у микроорганизмов, например, у паразитических или симбиотических бактерий. Поскольку эти бактерии, в свою очередь, могут заимствовать гены у своих хозяев, а также переходить от одного хозяина к другому, они могут служить посредниками при переносе генетического материала между разными видами хозяев. По-видимому, это происходит чрезвычайно редко. Надежные экспериментальные подтверждения переноса генов от бактерий к многоклеточным были получены только недавно, и их пока очень мало. Но нужно иметь в виду, что редкость события вовсе не обязательно означает, что его роль в эволюции мала и незначительна. Ведь ключевые эволюционные преобразования сами по себе являются весьма редкими событиями — это, что называется, "штучный товар". Роль горизонтального переноса генов в эволюции многоклеточных еще предстоит оценить, и некоторые косвенные данные свидетельствуют о том, что она может быть весьма велика.

 Рассмотрим один из случаев переноса генов бактерий в геном многоклеточного животного, обнаруженный в 2007 году. В данном случае "донором" генетического материала была паразитическая бактерия вольбахия, а "реципиентом" — мушка дрозофила. Этот случай интересен тем, что в геном насекомого встроились не отдельные гены, а целый бактериальный геном.



.

 Довольно часто в ходе выполнения проектов по прочтению геномов высших организмов (особенно насекомых) исследователи натыкались на фрагменты бактериальных последовательностей ДНК, но это обычно интерпретировалось как результат загрязнения: предполагали, что при выделении ДНК из клеток исследуемого организма в пробы попало небольшое количество бактериальной ДНК. И соответствующие участки ДНК просто не учитывались при "сборке" генома из прочтенных фрагментов.

 В результате для четырех видов насекомых и четырех видов филярий удалось получить бесспорные доказательства внедрения генов вольбахии в геном хозяина; еще у трех видов это можно предполагать с большой долей вероятности.

 Наибольшее внимание авторы уделили тропической плодовой мушке Drosopbila ananassae, потому что в геноме некоторых представителей этого вида обнаружились полные или почти полные копии генома вольбахии. Получается, что в ядрах клеток этих мушек содержится полная генетическая информация сразу о двух разных организмах!

 Для проверки этого результата ученые провели целый ряд специальных тестов. Мушек вылечили от вольбахии антибиотиком и убедились, что лечение привело к полному исчезновению внутриклеточных паразитов. Из вылеченных мух снова выделили ДНК. Оказалось, что полный набор генов вольбахии по-прежнему присутствует в пробах.

 Затем проверили наследуемость этих генов по мужской линии. Дело в том, что вольбахия, как и другие цитоплазматические бактерии (вспомним митохондрии!), передается потомству только по материнской линии, вместе с цитоплазмой яйцеклетки. В сперматозоиды вольбахия не проникает — они для этого слишком малы. Поэтому потомство зараженной самки всегда оказывается зараженным, потомство здоровой — здоровым, а от отца это не зависит. Однако если геном вольбахии действительно встроился в геном хозяина, то он должен передаваться по отцовской линии точно так же, как и по материнской, — вместе с ядерными хромосомами.

Чтобы проверить это, скрестили вылеченных самцов D. ananassae, в хромосомы которых встроился геном вольбахии, со здоровыми самками, в геноме которых гены вольбахии отсутствовали. В ДНК потомства обнаружились гены вольбахии, что и стало решающим доказательством горизонтального переноса генов от паразита к хозяину. Авторы также показали, что многие гены, заимствованные мухой у бактерии, активно работают (то есть транскрибируются, "считываются").

 Полученные результаты показывают, что межвидовой обмен генами может играть более существенную роль в эволюции животных, чем считалось ранее. Источниками нового генетического материала для животных могут служить не только вирусы и мобильные генетические элементы, что было известно и ранее, но и бактерии. Впрочем, пока трудно сказать, насколько широк спектр бактерий, гены которых могут быть заимствованы животными.

 Горизонтальный перенос генов привлекает в последние десятилетия пристальное внимание ученых — и отнюдь не только потому, что в некоторых случаях он может приводить к "ламарковскому" наследованию. Широкое распространение горизонтального переноса в живой природе заставляет пересмотреть еще одно основополагающее положение классического дарвинизма и СТЭ, а именно — точку зрения об исключительно дивергентном характере эволюции. "Дивергенция" означает "расхождение". Долгое время эволюционная теория базировалась на представлении о том, что виды не могут обмениваться друг с другом наследственной информацией. Как только вид делится на два, потомки теряют способность скрещиваться друг с другом, между ними возникает репродуктивная изоляция. Так что после разделения они эволюционируют изолированно, сами по себе, по схеме "случайные мутации + естественный отбор".

 





 С открытием горизонтального переноса генов между разными видами и даже царствами живых организмов ситуация изменилась, и эволюция предстает в несколько ином свете. Получается, что "удачные изобретения" одних видов в принципе доступны другим и могут быть ими заимствованы. В этом случае биосфера предстает единой информационной средой, в которой вирусы и различные мобильные генетические элементы (см. ниже) распространяют информацию примерно так же, как в человеческом обществе благодаря устной и письменной речи достижения и открытия одних людей становятся известными другим и могут ими использоваться.

 Однако межвидовая репродуктивная изоляция у эукариот все-таки не абсолютна. В частности, эукариоты тоже способны заимствовать чужие гены. Горизонтальный обмен фактически превращает биосферу в единую "лабораторию" по изобретению новых полезных наследственных признаков.

 Правда, эффективность работы этой эволюционной лаборатории резко снижается по мере роста сложности организмов и их приспособленности. Большая часть адаптаций у сложных организмов зависит не от одного-двух, а от множества генов, которые должны работать согласованно и которые влияют не только на данный признак, но и на множество других. Поэтому вероятность того, что привнесенный извне чужой ген окажется полезным, у высших организмов значительно меньше, чем у низших. Именно этим, по-видимому, объясняется тот факт, что многоклеточные организмы выработали эффективные, хотя и не абсолютные, средства защиты от горизонтального переноса.

Вирусы и мобильные генетические элементы

 Мобильные генетические элементы впервые были обнаружены Барбарой МакКлинток в 1951 году у кукурузы. Однако МГЭ слишком долго считались "генетической экзотикой", их распространенность и эволюционная роль недооценивались, и в результате свою заслуженную Нобелевскую премию за это открытие МакКлинток получила лишь в 1983 году, когда ей самой было уже за 80.

 Поначалу эти подвижные вирусоподобные участки генома интерпретировали как "геномных паразитов", "эгоистическую" или "мусорную" ДНК. В последнее время все яснее становится огромная эволюционная роль этих элементов. Они придают геному свойство, которое в зависимости от субъективного восприятия называют либо "нестабильностью", либо "пластичностью". В первом случае подчеркивается потенциальный вред геномных перестроек, индуцируемых МГЭ, во втором — их потенциальная польза, создание материала для отбора, повышение полиморфизма и приспособляемости.

 МГЭ придают геному нестабильность не только своими беспорядочными прыжками. Если какому-нибудь транспозону удастся как следует размножиться, это значит, что в геноме появится множество одинаковых фрагментов генетического "текста". А это резко повышает вероятность ошибок в ходе копирования ДНК и рекомбинации. Действительно, сложно не ошибиться при переписывании или редактировании текста, изобилующего повторами.

 Но геномные перестройки, индуцируемые МГЭ, не являются хаотичными. Например, многие транспозоны способны встраиваться не в любое место генома, а только туда, где есть определенные "предпочтительные" для данного МГЭ последовательности нуклеотидов. Это делает их передвижения в известной мере предсказуемыми, закономерными. Распределение повторов по геному повышает вероятность не любых, а строго определенных перестроек. Например, участок генома, заключенный между двумя одинаковыми последовательностями (например, между двумя копиями транспозона), с большой вероятностью может быть "потерян" при репликации. Если такая потеря окажется выгодной, она будет поддержана отбором и закрепится в череде поколений, если нет, отбор будет ее отбраковывать, но тем не менее этот участок все равно будет выпадать из генома снова и снова (такое явление наблюдается, например, у возбудителя чумы Yersinia pestis) (Г. Б. Смирнов. Механизмы приобретения и потери генетической информации бактериальными геномами. 2007. http://evolbiol.ru/smirnov.htm.).

 Как у бактерий, так и у высших организмов МГЭ могут служить своеобразными "рецепторами стресса", резко активизируя свои прыжки в критических для организма ситуациях и приводя к вспышкам мутагенеза. Это может способствовать приспособляемости видов. Когда условия жизни резко ухудшаются, то это по сути дела означает, что имеющийся у организма геном перестает соответствовать требованиям среды. В этой ситуации рост изменчивости может оказаться единственным возможным выходом (см. главу "Управляемые мутации"). Все это придает эволюционным изменениям, происходящим при участии МГЭ, не совсем случайный характер.

 

 По-видимому, многие крупные прогрессивные преобразования в эволюции высших организмов были связаны с активностью МГЭ.

 У мобильных элементов древние позвоночные позаимствовали также и фермент транспозазу, который умеет вырезать и перемещать участки ДНК. Потомки этой транспозазы — белки RAG. Эти белки собирают из кусочков гены антител, по-разному комбинируя фрагменты ДНК в зреющих лимфоцитах. Так достигается огромное разнообразие этих защитных белков при небольшом количестве имеющихся в геноме фрагментов-заготовок (см. главу "Управляемые мутации"). Великолепная иммунная система позвоночных была одной из главных предпосылок их эволюционного успеха. И она, как мы теперь понимаем, является щедрым даром ближайших родственников вирусов.

 



 Простейший транспозон устроен еще проще, чем простейший ретротранспозон. Это короткий участок ДНК, на концах которого расположены так называемые обращенные повторы, а в середине имеется ген, кодирующий транспозазу — фермент, необходимый для "размножения" и перемещения мобильного элемента. Обращенные повторы — это последовательности нуклеотидов, комплементарные самим себе (мы помним, что нуклеотид А комплементарен нуклео- тиду Т, нуклеотид Г — нуклеотиду Ц). Последовательности, комплементарные сами себе, называют также палиндромами, потому что они "читаются" при транскрипции одинаково в обе стороны. Вот пример генетического палиндрома: AAGCCCAA..........TTGGGCTT. Если вместо многоточия "вписать" ген транспозазы, получим модель простейшего транспозона.

 Чтобы транспозон совершил "прыжок", хозяйская клетка должна для начала прочитать ген транспозазы и синтезировать на его основе белок, то есть саму транспозазу. После этого транспозаза должна найти в хозяйской хромосоме свой транспозон, опознать его по концевым повторам, затем вырезать и вставить в какое-нибудь другое место генома.

 Итак, транспозаза умеет делать две вещи: 1. узнавать определенные последовательности ДНК и прикрепляться к ним; 2. вырезать и перемещать фрагменты ДНК.

 Оба "навыка" транспозазы могут быть использованы клеткой, когда ей удается приручить какой-нибудь транспозон, то есть сделать его неотъемлемой функциональной частью своего генома. Для подобных процессов даже придумали специальный термин — "молекулярное одомашнивание" (molecular domestication). Транспозон теряет подвижность просто за счет какой-нибудь мутационной "поломки" и начинает выполнять полезную для организма функцию. Мы уже упоминали о том, что способность прирученных транспозаз — RAG-белков — вырезать и перемещать фрагменты ДНК лежит в основе системы приобретенного иммунитета.

 Еще больше эволюционных возможностей содержит в себе способность транспозаз распознавать определенные последовательности нуклеотидов ДНК. На специфическом распознавании белками нуклеотидных последовательностей основаны многие важнейшие процессы в живой клетке. Одним из таких процессов является регуляция активности генов при помощи специализированных регуляторных белков — транскрипционных факторов (ТФ). Транскрипционные факторы распознают определенные нуклеотидные последовательности, расположенные в регуляторной области тех или иных генов, присоединяются к ним и тем самым регулируют работу этих генов.

 Чрезвычайно любопытно, что концевые обращенные повторы многих мобильных элементов, то есть участки ДНК, распознаваемые транспозазами, порой бывают удивительно похожи по последовательности нуклеотидов на сайты связывания ТФ (участки ДНК, распознаваемые транскрипционными факторами). Между прочим, в сайтах связывания ТФ часто встречаются палиндромные мотивы — последовательности ДНК, читающиеся одинаково в обе стороны.

 Это позволяет предположить, что в ходе эволюции прирученные транспозазы могут иногда брать на себя роль транскрипционных факторов, а фрагменты концевых повторов транспозонов, наверное, могут иногда оказываться в таких позициях, где они способны функционировать в качестве сайтов связывания ТФ.



 Для получения количественных оценок необходим комплексный сравнительный анализ целых геномов. Как известно, в последние годы мировое научное сообщество прилагает огромные усилия для того, чтобы определить нуклеотидные последовательности геномов как можно большего числа живых организмов — от бактерий до млекопитающих. И эти усилия начинают приносить плоды. Первые количественные подтверждения того, что формирование новых регуляторных участков ДНК из фрагментов МГЭ является правилом, а не исключением, были получены в результате прочтения генома маленького южноамериканского сумчатого зверька — серого короткохвостого опоссума.

 Различия в наборе белок-кодирующих генов между опоссумом и человеком оказались очень невелики. Подавляющее большинство генов опоссума имеют бесспорные человеческие аналоги и наоборот.

 В целом в белок-кодирующих областях геномов сумчатых и плацентарных за 180 миллионов лет, прошедших после разделения этих линий, возникло сравнительно мало эволюционных инноваций. По современным представлениям, ведущую роль в эволюции высших организмов должны были играть изменения регуляторных участков генома, которые сами не кодируют белков, но влияют на работу белок-кодирующих генов. Геном опоссума блестяще подтвердил эту теорию.

 Сравнительный анализ геномов опоссума, плацентарных и курицы показал, что в эволюции плацентарных подавляющее большинство эволюционных инноваций было связано с появлением новых участков ДНК, которые не кодируют белков, но выполняют важные регуляторные функции. Из всех функционально важных кодирующих участков генома плацентарных лишь около одного процента появились после отделения плацентарных от общего предка с сумчатыми. Что же касается функционально важных некодирующих (то есть регуляторных) последовательностей, то из их числа целых 20% оказались уникальными для плацентарных. Иными словами, скорость появления новых регуляторных участков генома в эволюции плацентарных была в 20 раз выше, чем скорость появления новых кодирующих участков.

 У читателя может возникнуть резонный вопрос, почему мы говорим об эволюции плацентарных в связи с прочтением генома опоссума — зверька, относящегося не к плацентарным, а к сумчатым. Дело в том, что только сравнение с геномом опоссума позволило ученым установить, какие из некодирующих последовательностей геномов плацентарных являются новыми, то есть появившимися после разделения эволюционных линий сумчатых и плацентарных. Для того чтобы понять эволюционную роль изменений в некодирующих последовательностях, нужно еще знать, какие из этих последовательностей являются функционально важными, а какие нет. Для плацентарных это можно сделать, сравнивая между собой геномы разных видов: если некодирующий участок сходен, например, у человека и собаки, значит, он, скорее всего, является важным (отбор отбраковывал слишком сильные изменения в этом участке). Для сумчатых этого сделать пока нельзя, поскольку прочтен геном только одного вида сумчатых. Именно поэтому геном опоссума позволил гораздо больше узнать об эволюции плацентарных, чем сумчатых.

 Как и следовало ожидать, особенно много новых регуляторных последовательностей у плацентарных появилось в окрестностях генов, кодирующих ключевые регуляторы индивидуального развития, в том числе Нох-генов (см. главу 5). Сами эти гены отличаются повышенной консервативностью — они очень похожи у плацентарных, опоссума и даже курицы. Получается, что изменения в строении организма у плацентарных млекопитающих были обусловлены в основном добавлением новых регуляторов к генам — регуляторам онтогенеза.

 Самый яркий результат исследователи получили в ходе изучения происхождения новых регуляторных последовательностей, возникших в ходе эволюции плацентарных. В принципе, эти последовательности могут появляться тремя способами: 1. в результате изменения "до неузнаваемости" каких-то старых, предковых регуляторных последовательностей; 2. в результате дупликации старых регуляторных последовательностей и последующего накопления различий между копиями; 3. заново, из последовательностей, которые у предков были нефункциональными, в том числе из "прирученных" мобильных элементов.

 Ранее было выявлено несколько случаев, когда в эволюции позвоночных новые регуляторные последовательности формировались из мобильных генетических элементов. Как мы уже знаем, сама структура МГЭ делает их превосходными "заготовками" для создания новых регуляторных элементов в хозяйском геноме. МГЭ обычно имеют свои собственные регуляторные элементы, например, места прикрепления транспозаз — ферментов, осуществляющих перемещения МГЭ. Эти регуляторные элементы легко могут быть адаптированы для регуляции работы генов хозяйского генома. Однако до сих пор оставалось неясным, являются ли выявленные случаи удачного приручения транспозонов редкими исключениями или общим правилом. Теперь наконец можно с уверенностью сказать: это правило.

 Оказалось, что в человеческом геноме как минимум 16% из числа важных регуляторных последовательностей, уникальных для плацентарных, представляют собой участки мобильных элементов. При создании новых регуляторных последовательностей у плацентарных в ход пошли все основные группы транспозонов и ретротранспозонов. Причем вышеупомянутые 16% — это, несомненно, сильно заниженная оценка. Дело в том, что "прирученный", утративший подвижность транспозон в результате накопления мутаций становится неузнаваемым примерно за 100-200 миллионов лет. Сохранится в целости лишь тот его фрагмент, который оказался полезен хозяйскому геному, но этого, скорее всего, будет недостаточно, чтобы распознать в таком фрагменте бывший транспозон. За время, прошедшее с момента обособления плацентарных, эта судьба должна была постигнуть значительную часть прирученных транспозонов.

 Таким образом, "одомашнивание" мобильных генетических элементов играет крайне важную роль в эволюции млекопитающих. Скорее всего, это справедливо и для других живых организмов, но чтобы это доказать, необходимы дальнейшие исследования.

 Но вернемся к наследованию приобретенных признаков. Связь МГЭ и вирусов с "ламарковскими" механизмами наследования может оказаться еще более тесной, чем принято считать. Можно предположить — пока лишь теоретически, — что при помощи МГЭ высшие организмы могут иногда передавать своему потомству вполне исчерпывающую и адекватную информацию о полезных адаптациях, выработанных ими в течение жизни. По сути дела, это и есть "ламарковское" наследование в чистом виде и без всяких оговорок, в том самом смысле, какой вкладывал в это понятие сам Ламарк.

 Эта смелая гипотеза была предложена и подробно обоснована австралийским иммунологом Э. Стилом и его коллегами (Э. Стил, Р. Линдли, Р. Бландэн. Что если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция. 2002. http://evolbiol.ru/lamarck.htm.). Мы помним из главы "Управляемые мутации", как лимфоциты млекопитающих производят гены новых защитных белков-антител в ходе выработки приобретенного иммунитета. Для этого исходные генетические заготовки сначала комбинируются разными способами, а затем подвергаются интенсивному мутированию и отбору. Таким образом формируется новый ген, обеспечивающий защиту против какой-нибудь инфекции — например, против новой болезнетворной бактерии. Выработка приобретенного иммунитета требует времени, и не всегда организм успевает справиться с этой задачей. Против некоторых самых опасных возбудителей было бы выгодно иметь врожденный иммунитет, а не приобретать его каждый раз заново при столкновении с инфекцией. Собственно говоря, именно этот "недостаток" нашей иммунной системы и пытается восполнить современная медицина, осуществляя вакцинацию людей и домашних животных. Если бы генетические изменения, возникающие в лимфоцитах при выработке приобретенного иммунитета, могли иногда передаваться потомству, это было бы аналогично естественной, природной вакцинации последующих поколений.

 Но как такое может произойти? Ведь для этого новый вариант защитного гена, сформировавшийся в лимфоцитах, должен быть перенесен в половые клетки и встроен в их геном. Кто или что может служить переносчиком генов из лимфоцитов в половые клетки? По мнению Стила, на роль таких переносчиков идеально подходит одна из разновидностей МГЭ, которой буквально кишат геномы млекопитающих, — так называемые эндогенные ретровирусы. Это геномы ретровирусов, которым когда-то удалось встроиться в геном половых клеток, или "продвинутые" ретротранспозоны, способные к образованию вирусоподобных частиц. Грань между сложными ретротранспозонами и простыми ретровирусами весьма условна. Эндогенные ретровирусы, разумеется, передаются по наследству точно так же, как любые другие участки генома. При этом они сохраняют способность "оживать", то есть упаковывать свой геном в белковую оболочку (капсид) и переходить из клетки в клетку. Вместе со своими собственными генами обратной транскриптазы, интегразы, капсидного белка эндогенные ретровирусы могут прихватывать с собой и "чужие" молекулы РНК, считанные с каких-нибудь других генов. Например, с гена нового антитела, если дело происходит в лимфоците.

 Покинув лимфоцит, такой эндогенный ретровирус в принципе может с током крови добраться до половых клеток и проникнуть в них. Здесь в соответствии с "инструкциями", записанными в вирусной РНК, будут синтезированы ферменты обратная транскриптаза и интеграза. Первая произведет ДНКовые копии вирусных генов, а заодно и гена нового антитела; вторая встроит эти фрагменты ДНК в геном половой клетки. Таким образом новый защитный ген будет передан потомству. При выполнении некоторых дополнительных условий это может привести к тому, что потомство будет с самого начала иметь повышенную устойчивость к какой-то инфекции.

 Самое интересное, что если бы эта гипотеза оказалась верной и такой механизм наследования удалось бы продемонстрировать экспериментально, то тем самым была бы подтверждена "крамольная" и всеми позабытая дарвиновская теория пангенеза, о которой мы говорили в начале главы. Нетрудно заметить, что эндогенные ретровирусы, выступающие в роли переносчиков информации о приобретенных признаках в половые клетки, совершенно идентичны геммулам, или пангенам, о существовании которых говорил Дарвин.

 Как от теоретических геммул перейти к реальным агентам приобретенного наследования? В этом нам помогут, например, ретропсевдогены, присутствующие в большом количестве в геномах эукариот. Ретропсевдоген — это последовательность нуклеотидов, идентичная кодирующей части какого-нибудь гена, обычно неактивная, неработающая, которая возникла в результате деятельности обратной транскриптазы. Ее нетрудно отличить от "настоящего" гена по отсутствию интронов — некодирующих вставок, которые есть в большинстве генов высших организмов.

 Ретропсевдоген образуется так. Сначала с обычного гена "считывается" матричная РНК (мРНК). Считывается все подряд — и кодирующие участки (экзоны), и вставленные между ними интроны. Затем интроны удаляются, а кодирующие участки сшиваются друг с другом (этот процесс посттранскрипционной обработки РНК называется сплайсингом). В результате образуется "зрелая мРНК". На ее основе синтезируется белок.

 Если же зрелая мРНК с удаленными интронами "попадется под руку" обратной транскриптазе, то она может синтезировать ДНКовую копию этой РНК и встроить ее в какую-нибудь хромосому. Так и возникают ретропсевдогены. Они обычно не работают, но не потому, что лишены интронов, а потому, что рядом с ними не оказывается подходящих регуляторных участков ДНК — промоторов. Если около гена нет промотора, ферменту РНК-полимеразе просто не к чему прикрепиться, и ген не может быть прочитан. Впрочем, иногда ретропсевдогену может "повезти", и он случайно окажется рядом с промотором в результате какой-нибудь геномной перестройки. Известен ряд случаев, когда ретропсевдогены становились работающими генами.

 Существование ретропсевдогенов доказывает, что обратная транскриптаза действительно может "переписывать" в геном половых клеток информацию, содержащуюся в молекулах РНК, считанных с различных генов. Это означает, что у животных есть все составные части предполагаемого механизма "пангенеза". Теоретически дарвиновские геммулы имеют право на существование. Они вполне могли бы работать и обеспечивать наследование приобретенных признаков "по Ламарку". Загвоздка лишь в том, что они, по-видимому, в действительности делают это крайне редко. Почему? Скорее всего, просто потому, что это бесперспективно. От всех инфекционных агентов, которые существуют сейчас и могут появиться в будущем, все равно нельзя запастись готовыми, наследуемыми антителами. Любой организм сталкивается в течение жизни с тысячами и миллионами разных возбудителей, и если бы каждое новое антитело "переписывалось" в геном половых клеток, геном оказался бы неимоверно раздут, а это, как мы знаем, ведет к росту "непроизводительных расходов" для каждой клетки организма (см. раздел "Происхождение птиц" в главе 6). Развитие системы приобретенного иммунитета — способности вырабатывать любые антитела в течение жизни — было величайшим эволюционным достижением, а закрепление в геноме потомства каждого удачного антитела было бы тупиковым путем.

Эпигенетическое наследование

 Один из эпигенетических механизмов — метилирование ДНК. Оказалось, что в процессе жизнедеятельности к молекулам ДНК в клетках, в том числе и в половых, специальные ферменты "пришивают" метильные группы (-СН). Причем к одним генам метильных групп пришивают больше, к другим — меньше. Распределение метильных групп по генам зависит от того, насколько активно тот или иной ген используется. Активные гены метилируются слабо, неактивные — сильно. Получается совсем как с упражнением и неупражнением органов, которое Ламарк считал причиной наследственных изменений. Поскольку "рисунок метилирования" может передаваться по наследству и поскольку он, в свою очередь, влияет на активность генов у потомства, легко заметить, что здесь может работать совершенно ламарковский механизм наследования: "натренированные" предками гены будут и у потомства работать активнее, чем "ослабевшие" от долгого неиспользования.

 Однако и в данном случае природа, судя по всему, не заинтересовалась возможностью наладить наследование "по Ламарку". Наибольшего развития система метилирования ДНК в половых клетках достигла у двух групп высших многоклеточных, венчающих эволюционное древо, соответственно, животных и растений — а именно у плацентарных млекопитающих и покрытосеменных (цветковых) растений. В обоих случаях избирательное метилирование ДНК в половых клетках, так называемый "геномный импринтинг", служит не для передачи по наследству приобретенных признаков, а для регуляции взаимоотношений между зародышем и материнским организмом.

 Очень важно, что метилирование дает клетке возможность попутно контролировать и частоту мутирования тех или иных генов. Как уже отмечалось в главе "Управляемые мутации", метилирование цитозина (Ц) резко повышает вероятность мутации, в результате которой цитозин заменяется тимином (Т). Метилирование ДНК активно контролируется клеткой, таким образом, в клетке реально существует механизм, позволяющий целенаправленно регулировать вероятность мутирования определенных участков генома.

Что почитать на эту тему в Интернете

B. А. ГВОЗДЕВ. Регуляция активности генов, обусловленная химической модификацией (метилированием) ДНК. 1999. http://evolbiol.ru/gvozdev1999.pdf

Л. А. ЖИВОТОВСКИЙ. Наследование приобретенных признаков: Ламарк был прав. 2003. http://evolbiol.ru/zh__lamark.pdf

C. Г. ИНГЕ-ВЕЧТОМОВ. Цитогены и прионы: цитоплазматическая наследственность без ДНК? 1996. http://evolbiol.ru/inge1996.pdf

Ж. Б. ЛАМАРК. Философия зоологии (главы из книги). http://evolbiol.ru/lamark.htm

A. В. МАРКОВ. Обзоры на сайте "Проблемы эволюции":

С. А. НАЗАРЕНКО. Эпигенетическая регуляция активности генов и ее эволюция. 2002. http://evolbiol.ru/nazarenko2002.htm

B. А. РАТНЕР, Л. А. ВАСИЛЬЕВА. Мобильные генетические элементы (МГЭ) и эволюция геномов. 1993. http://evolbiol.ru/ratnen.htm

Э. СТИЛ, Р. ЛИНДЛИ, Р. БЛАНДЭН. Что если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция. 2002. http://evolbiol.ru/lamarck.htm

C. В. ШЕСТАКОВ. Роль горизонтального переноса генов в эволюции. 2003. http://evolbiol.ru/shestakov.htm