Четыре новости о ну совсем не классической генетике

Генетика: між перемогою та поразкою
Агенції наукових новин повідомили про успішне завершення великого дослідження в галузі генетики людини, яке з усіма підставами можна вважати перемогою сучасної науки. 23 листопада журнал Naturе опублікував результати порівняння генетичних текстів різних людей, виконані інтернаціональним, але в основному американським колективом вчених.
Як відомо всім, хто вчив біологію в школі, кожен ген має певне місце в хромосомі — локус. Оскільки в нормі клітини людини (крім статевих) мають по два набори хромосом (від батька і від матері), вони містять і по дві копії кожного гена — по одній у кожній хромосомі. Винятком є гени, що знаходяться в статевих хромосомах; точніше, ті з них, які розташовані на X‑хромосомі, але відсутні на Y‑хромосомі. Гени можуть існувати в різних станах — алелях. Так, за яким‑небудь геном можна мати пару однакових алелів, а можна — два різних. Різниця алелів вважалася головною причиною внутрівидового різноманіття. Звісно, було відомо, що іноді той чи інший фрагмент ДНК втрачається або подвоюється. Ще сімдесят років тому в експериментах на дрозофілах було показано значення зміни кількості генетичної інформації при дуплікації одного з генів, що впливають на розвиток очей. Однак такі дані здавалися екзотикою. Людині, яка володіє хоча б мінімальними знаннями, зрозуміло, що набір генів — видоспецифічна ознака, а люди відрізняються один від одного алелями генів, що стоять на своїх місцях у хромосомах. Звісно, відхилення відомі, але вони досить рідкі і часто супроводжуються серйозними поразками…
І ось нове дослідження. У його ході в геномі людини шукали так звані CNV (copy number variation) — послідовності, що перевищують у довжину тисячу нуклеотидних пар і існують у геномах різних людей у різній кількості. Вивчено геноми 270 людей, що належали до чотирьох груп: представників племені йоруба з Нігерії, білих (походженням з Європи) громадян штату Юта, японців з Токіо та китайців з Пекіна. Щоб визначити різниці в послідовностях ДНК, потрібні були розмножувані клітини. Для цього клітини донорів обробляли вірусом, що забезпечував їх перетворення в пухлинні1. Спеціальні заходи допомагали дослідникам розрізняти генетичні наслідки такого переродження і виключати їх з розгляду. Потім вони застосовували два незалежних способи порівняння послідовностей ДНК, щоб зареєструвати фрагменти генетичного тексту, які є у одних людей і відсутні у інших.
Підсумок: у геномах вивчених людей знайдено 1447 CNV‑послідовностей. Вони займають близько 12 % від усього розміру геному, зачіпаючи приблизно таку ж частку від числа всіх генів. Завдяки вивченню хромосом родичів, вдалося не лише продемонструвати, що зареєстровані відмінності передаються з покоління в покоління (відповідно до законів Менделя), а й в одному випадку, при порівнянні матері і доньки, навіть визначити час виникнення однієї з варіацій кількості ДНК. Можливо, такі феномени є наслідком нерівного обміну між парними хромосомами. Поряд з різноманіттям алелів у певному наборі генів потужним джерелом індивідуальної змінливості виявився сам цей набір!
Одним із результатів роботи наукового колективу стала карта поширення CNV по геному людини (див. рис.). Довжина червоних ліній на цій схемі відображає частоту зустрічальності кожної з CNV у різних людей, довжина зелених і синіх ліній — кількість пар нуклеотидів у таких послідовностях, а сам зелений або синій колір — наявність або відсутність зв’язку з подвоєннями сегментів хромосоми. Яка б ця картина не відповідала традиційним уявленням про «нормальну» будову хромосом!

Для тих, хто продовжує розглядати гени як програму, що втілюється в організм, може бути цікава така аналогія. Уявіть собі інсталятор програми, у якому одна копія від іншої відрізняється більш ніж на одну десяту частину коду. Якісь фрагменти додаються, якісь змінюються, щось викидається назовні! Таке рішення було б повністю нефункціональним, оскільки зруйнувало б цілісність програми. А ось якщо розвитком керують не гени, а щось, що їх читає (за бажанням це можна назвати епігенетичною системою), подібні зміни стають допустимими. Такій ситуації відповідає роман, різні видання якого відрізняються один від одного на одну десяту свого об’єму. Якийсь епізод виявиться повтореним, якийсь втратить або стане незрозумілим, але загальний сенс для читача, швидше за все, залишиться тим самим2.
Отже, зареєстровано потужне джерело спадкової змінливості, яке до сьогодні залишалося недооціненим. Відчуваючи радість від великого відкриття, можна подивитися на проблему і з іншого боку. Куди раніше дивилися генетики всього світу? Яка сьогодні обґрунтованість розгалужених наукових теорій, згідно з якими біорізноманіття визначається і обчислюється як функція від спостережуваного в популяції набору алельних генів? Чи не є нинішня перемога у пізнанні однією зі сторін механізму спадковості результатом поразки методології хромосомної генетики, що прославлялася як одна з вершин людського пізнання?
…Прочитайте яку‑небудь хорошу викладку основ класичної генетики. Якою все здавалося простим і логічним!

Родинний погляд із шкаралупи
Нещодавно ("КТ" #649) автор цих рядків, назвавши морських їжаків нашими близькими родичами, мав спеціально переконувати редактора, що це не помилка. Тоді спрацювала посилання на схожість наших (людини і морського їжака) ранніх етапів ембріонального розвитку. Новий довід подарував у цьому місяці журнал Science. У статті двохсот двадцяти‑восьми (!) авторів наведено результати розшифровки геному морського їжака Strongylocentrotus purpuratus. Найяскравіший висновок полягає в тому, що їж — на 30 % людина (і, до речі, людина — приблизно на стільки ж морський їж).
Як це може бути, ми ж такі неподібні! Морський їж — істота, заключена в яйцеподібну або дискову шкаралупу, усаджену більш‑менш розвиненими голками. Головне заповнення шкаралупи — статеві залози. Найскладніший орган цього тваринного — конструкція з 35 підвижно з’єднаних вапнякових пластин, яка називається аристотелевим ліхтарем. На вершині аристотелевого ліхтаря розташовано п’ять зубів, якими їж розчавлює їжу. Переміщуються їжі, перебираючи, як ходулями, своїми голками. На протилежній роті стороні тіла розташовані прості очка і пігментні плями… Тим дивовижніше, що значна частина генів у нас і у цієї тварини збігається.
Але що означають ці збіги? Чи дійсно в їжі «заперта» частина людської сутності?
Не все так просто. Ті гени, які у нас «відповідають» за зорове сприйняття, є і у морського їжака. Чи означає це, що їж має схожі з нами механізми аналізу візуальної інформації? Звісно, ні! Гени — це сукупність перемикачів, які, поряд з іншими факторами, впливають на хід індивідуального розвитку. У процесі еволюції механізмів управління розвитком функції генів можуть перепрограмовуватися. Кнопки на пульті управління телевізором і на мобільному телефоні можуть бути дуже схожі (навіть цифри на них іноді однакові), але це не означає, що ефект їх натискання ідентичний. Справа в тому, що ефект залежить не від кнопок‑перемикачів, а від пристрою самої системи. У людини і їжа «системи» різні, і результати включення схожих генів виявляються неподібними. Насправді суть не в генах!
А як добре все починалося… Тільки згадайте переможні реляції молекулярних генетиків, коли вони приступали до розшифровки геному людини. Ось доведемо нашу роботу до кінця, дізнаємося, як керується наш розвиток, і зможемо його змінювати, як захочемо! Довели. Отримали масу інформації. Значення її переважаючої частини незрозуміле. Дізналися, що окрім генних текстів існують і інші інструменти управління розвитком, які не піддаються лінійному опису. Переконалися, що можливості обчислювальної техніки принципово недостатні для опису взаємодії навіть у генних (і не лише генних) мережах середньої складності. І справа не лише в техніці. Наша логіка, особливості нашого мислення не пристосовані до розв’язання таких завдань. За походженням наша психіка — одна з адаптацій тварини африканської савани, якій треба було уникати ворогів, знаходити їжу і зваблювати партнера. Наш мозок погано адаптований до кількісного аналізу взаємодій у складній мережі переплетених причин і наслідків!
Але що робить нас — нами, а морського їжака — морським їжаком? Звісно, перш за все — будова яйцеклітини. А ще системна складність безлічі механізмів управління розвитком, що задає епігенетичний ландшафт — набір допустимих траєкторій розвитку, а також непередбачувана випадковість, що призводить до вибору тієї чи іншої з цих траєкторій. А в чому ж наша істинна сутність? Хотілося б зрозуміти. Але шукати треба не на рівні генів.

Неправильна генетика
Як змінюються загальноприйняті погляди? Старі погляди утримують позиції, доки не накопичується критична маса фактів, що не вписуються в них. Традиційна генетика, заснована на ідеях Менделя — Вейсмана — Де Фріза — Моргана, вже давно не може пояснити широкий спектр явищ. Тим не менш, кожен новий результат у цьому ряду викликає щире здивування: як же так, чи можуть абеткові істини бути неправильними? У черговий раз таку реакцію виклиала недавня стаття в журналі Nature.
Роберт Пруітт (Robert Pruitt) з Університету Педью в Індіані та його співробітники вивчали успадкування однієї з ознак у Arabidopsis thaliana3. Ця бур'янка стала першою рослиною з повністю розшифрованим геномом і тому тепер перетворилася на улюблений об’єкт для генетичних експериментів. Розглядали рослини, які мали дефектні варіанти гена hothead («гаряча голова») в обох хромосомах. Зовні це проявляється у «злипанні» (незроздільності) листків і листя. Дивно, що при схрещуванні таких рослин10 % нащадків мали нормальну будову, що суперечить законам Менделя. Досліджуючи послідовності відповідного гена у батьків і нащадків, вчені переконалися, що мутанти «переписали» ген, приведши його до норми. Щоб обґрунтувати це, довелося довести, що в даному випадку не проявилася дія іншого гена, забруднення чужорідним матеріалом або інша причина, що могла б пояснити зареєстрований феномен. Виявляється, справа не в цьому. Найймовірніше, рослини дешифрували молекули РНК, синтезовані на генах їхніх нормальних батьків (і збережені в клітинах), і виправили порушену версію гена, що міститься в їхніх хромосомах. Для цього було необхідно використати зворотну транскриптазу: фермент, який синтезує ДНК, використовуючи молекулу РНК як матрицю (Пам’ятається, зовсім нещодавно така можливість, що суперечила «основній догмі молекулярної біології», здавалася абсурдною).
Отже, виявляється, що рослини мають механізм «відкату» (щось на кшталт комп’ютерної команди «Undo»), що дозволяє за потреби повернутися до нормального стану ознаки, характерного для їхніх батьків. Ряд провідних генетиків, коментуючи це повідомлення, назвали його сенсаційним, підкреслюючи, що ніхто навіть не міг передбачати існування подібних «неправильних» механізмів. На жаль, підстави для таких припущень (і самі припущення) були, але просто витіснялися на периферію свідомості фахівців, твердо впевнених, що вони знають, як функціонує механізм спадковості.
Доведіть наші твердження. Що ми дізналися з нових результатів? Наприклад, у цьому прикладі проявилося, що організм — не просто результат «буквальної» реалізації спадкової програми. Інформація на ДНК не «причина організму», а лише один з його «інструментів». Напевно, це твердження здасться сумнівним для більшості читачів. Наприклад, програміст не задумується про те, як виникає властивість процесора виконувати команди програми. Воно задане апріорі, і проблема полягає лише в тому, як його оптимально використовувати. Хіба спадковість — не таке ж апріорне властивість життя? Ні, у живих організмів спадковість — результат тривалого відбору на здатність «вдалих» організмів виробляти «вдалих» нащадків5.

Arabidopsis thaliana має дуже невеликий обсяг генетичної інформації, і тому виявився першим у черзі на її повне прочитання
У 1920‑х роках генетики вперше досліджували спадкові задатки особин з природних популяцій. Результат був вражаючим. Зовні однакові «нормальні» істоти виявилися генетично дуже різними. Серед носіїв «мутантних» ознак деякі мали змінені гени (при цьому різні), а деякі — були генетично нормальними. Але носії змінених ознак відрізняються від нормальних особин однією важливою обставиною. Характерне для них зміна не пройшла через горнило відбору на стійкість розмноження в ряді поколінь. Тому прояв мутації часто виявляється нестійким. Наприклад, автор був знайомий з сім’єю носіїв гена, що викликає зрощення фаланг пальців на ногах. У цій сім’ї виявлявся весь спектр проявів такої мутації. Одна людина могла мати повністю зрослі пальці на одній нозі і нормальні — на іншій!
Отже, у нашому світі перевагу мають ті організми, які здатні до нормального (яке є найкращим компромісом з точки зору усіх завдань пристосування) розвитку навіть за дії якихось відхилень (наприклад, у генетичній інформації). У цьому і полягає принцип стабілізуючого відбору. У результаті частина зовні нормальних особин генетично є мутантами (носять змінену ДНК, яка просто не проявилася в їхньому розвитку). Але ж мутантний арабідопсис не просто зміг розвиватися нормально. До норми повернулися і послідовності його ДНК. Чи було відомо про щось подібне раніше? Так.

Ці мутанти «пам’ятають» нормальний стан гена, характерний для їхніх батьків, і можуть за потреби виправити мутацію
Класичні опити, що показали, що зміни в генах не залежать від потреб у них, виконувалися на кишкових паличках, які в результаті мутації втратили здатність розщеплювати лактозу (молочний цукор). Такі бактерії вирощували на середовищі, де не було лактози, а потім пересаджували туди, де єдиним джерелом їжі була ця речовина. Більшість таких бактерій гинула, але деякі (ті, у яких відбулася зворотна мутація, що дала можливість живитися лактозою) виживали. Експериментатори показали, що мутація, що дозволяла розщеплювати потрібну речовину, відбулася ще на вихідному, безлактозному середовищі, тобто була випадковою і ненаправленою.
Здавалося б, все ясно. Але у 1988 році Nature опублікував статтю Дж. Кернса (J. Cairns), який лише злегка змінив умови класичного експерименту. У Кернса неспроможні живитися на новому середовищі бактерії не гинули, а лише вели жалюгідне існування: залишалися живі, але не могли ділитися6. За цих умов вони інтенсивно перебудовували свій спадковий апарат, і багато з них швидко набували потрібну ознаку. Поставленому перед вибором померти або повернутися до норми мутанту вдається «підбирати» зворотну мутацію і стати нормальним!
Описаний приклад ставить під сумнів один із кутових каменів сучасної генетики. Ми ж знаємо, що спадкові зміни виникають випадково і не залежать від потреби в них! На жаль, і цей постулат піддано сумніву, і це відбувається досить давно. У свій час пошук спадкових змін, викликаних впливом середовища, вівся досить прямолінійно: відомий «мічуринець» Лисенко на своєму дослідному господарстві в Горках Ленінських годував корів шоколадом. Корови давали дуже жирне молоко (звичайно!), а Лисенко сподівався, що ця риса передасться їхнім нащадкам. Не вийшло. А у 1984 році журнал Science опублікував статтю Дж. Л. Маркса (Marx J. L.), у якій той згадав про «привид Лисенка». Коли льону вирощували на ґрунті з надлишком мінерального живлення, вони виростали високими і потужними. Однак коли їхніх нащадків вирощували на звичайному ґрунті, вони все одно протягом багатьох поколінь зберігали частину батьківської високорослості. Як показано в ряді статей7, при надлишку живлення в хромосоми льону вбудовувалися (і стабільно передавалися нащадкам) додаткові копії гена, що прискорює ріст.
Що ще нового в повідомленні про арабідопсис? Те, що у корекції спадкової інформації у вищих організмів може брати участь зворотна транскриптаза. Але згадайте — нещодавно «КТ» розповідала8 про серйозно обґрунтоване припущення, що у успадкуванні імунних властивостей беруть участь вірусоподібні частинки. Ймовірно, вони переносять у статеві клітини інформацію про ті небезпеки, з якими організм зіткнувся протягом життя, і за допомогою зворотної транскриптази вбудовують цю інформацію в гени.
Отже, нові дані про успадкування у Arabidopsis thaliana продовжують ряд результатів, поступово змінюючи наш погляд на систему спадковості. Крапля камінь точить: те, що вчать діти в школах і студенти у вузах, сприймати серйозно вже не вдається. Але чи лише для генетики характерна сьогодні подібна ситуація?