Размещено на http://www.allbest.ru/

Прыгающие гены

1. Как были открыты прыгающие гены

Можно сказать, что история генетики началась с неудачи. Когда более ста лет назад австрийский естествоиспытатель Грегор Мендель сформулировал основные законы генетики, современные ему ученые по различным причинам не заинтересовались его открытием. И законы Менделя были переоткрыты лишь на несколько десятилетий позже, тогда же была оценена и его роль в развитии генетики.

Нечто подобное произошло и в наше время, когда было обнаружено, что некоторые гены способны менять свое местоположение.

Эта история содержит все для того, чтобы называться научной сказкой, - одинокая исследовательница, благородно настаивающая на своих идеях, находясь в интеллектуальной ссылке, и даже высмеиваемая многими, отомщена дальнейшим переоткрытием ее результатов другими учеными.

В 1983 году 82-летняя Барбара Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии за открытие, сделанное почти 40 лет назад.

Изучение «прыгающих генов» - как часто теперь называют подвижные элементы в ДНК, открытые Б. Мак-Клинток, - сейчас стало обширной и интенсивно разрабатываемой областью молекулярной биологии. Это участки ДНК, способные передвигаться из одного места в хромосомах в другое, встраиваясь рядом с генами и часто меняя при этом их работу.

2. Секрет неудачи

Именно благодаря свойству многих прыгающих генов изменять работу соседних с ними обычных генов Мак-Клинток и удалось сделать вывод об их перемещениях. Вывод этот был сделан «на кончике пера». Ген то работал, то замолкал, а Б. Мак-Клинток утверждала, что во всем виноват некий подвижный элемент, расположенный по соседству. Ни сам ген, ни подвижный элемент при этом никто не видел. Такая логика была не сразу воспринята даже генетиками - представителями самой абстрактной из биологических наук.

Дело в том, что в 40-е годы, то есть когда было сделано это открытие, еще не знали, что гены состоят из ДНК, и не умели выделять для изучения отдельные гены или их куски в чистом виде, как это делают теперь. Так как гены определяют внешние (и не только внешние) признаки организма, об их существовании судили лишь по этим признакам, вернее по их поведению при скрещивании животных или растений. Предмет, изучавшийся генетиками, нельзя было увидеть в микроскоп или получить в пробирке. Поэтому генетика и была абстрактной наукой, резко выделяющейся этим из круга других биологических наук.

С середины XX века классическая генетика перестала получать большую часть новой информации о механизмах наследственности. Эту роль в современной науке заняли молекулярная биология и ее раздел - молекулярная генетика, науки, имеющие дело с конкретными молекулами ДНК, к существовании которых классическая генетика могла лишь догадываться. Работы Мак-Клинток - один из последних мощных всплесков чистой классической генетики, после чего эта наука стала взаимодействовать с молекулярной биологией и в этом своем проявлении дает сейчас замечательные результаты. (Методы классической генетики сами по себе в наше время используют главным образом в прикладных науках - селекции и медицине.) Именно поэтому после рождения в 1953 году новой науки - молекулярной биологии - нельзя было рассчитывать на признание работ Мак-Клинток новой плеядой ученых. В ее работах использовались методы, абсолютно непонятные большинству молекулярных биологов - людей, привыкших мыслить весьма конкретно.

То, что работы Мак-Клинток не восприняли многие генетики, связано также с тем, что она покусилась на один из главных постулатов генетики - постоянство расположения генов в хромосомах. Сейчас ясно, что ее открытие не отменяет этот постулат, а лишь вносит в него интересные дополнения. Однако в то время Мак-Клинток имела неосторожность так сформулировать суть своего открытия, что замахнулась на «догму». Это и сейчас не упускают иногда поставить ей в вину.

Надо сказать, что хотя выводы Мак-Клинток о существовании мобильных контролирующих элементов и их биологическом значении не приняли даже многие генетики, именно они выбрали ее в 1943 году членом Национальной академии наук США, а позже - президентом Американского генетического общества. Главную роль в этом признании сыграла другая ее работа, опубликованная в 1931 году, о которой мы еще расскажем.

3. Открытие

После окончания Корнеллского университета в 1923 году Мак-Клинток 20 лет работала в различных институтах и университетах США в рамках стажировок и научных договоров. В то время женщине в США очень трудно было найти работу в науке. Получить постоянную должность ей удалось лишь в 1942 году в Институте Карнеги в Вашингтоне - одном из лучших генетических институтов США, хотя поселилась и работала она с этого времени в поселке Колд-Спринг-Харбор в штате Нью-Йорк. Здесь она в одиночку начала работу по изучению природы генетической нестабильности у кукурузы. Она изучала наследование гена, определяющего окраску зерен в початках. В отсутствие этого гена или вследствие его мутации зерна кукурузы лишены окраски. В ходе работы Мак-Клинток обратила внимание на случаи пятнистой окраски отдельных зерен и предположила возможность существования второго гена, который мог то включать, то выключать ген окраски, что и приводило бы к появлению окрашенных участков на фоне бесцветного зерна.

Так, в результате перемещений подвижного элемента возникает пятнистость зерна. В ходе развития зерна в некоторых клетках случайным образом происходят перемещения подвижного элемента. Все потомки таких клеток будут окрашены и сложатся в пятно на поверхности зрелого зерна. Чем раньше произошел «прыжок» подвижного элемента, тем крупнее будет это пятно.

Хотя гены в то время увидеть не могли, уже знали, что они расположены в один ряд на хромосомах. Если при скрещивании родителей два признака часто передавались потомку вместе, делался вывод, что гены расположены рядом, или, как говорят генетики, сцеплены. Чем чаще гены передаются вместе, тем теснее их расположение в хромосоме и на генетической карте - схеме хромосомы.

В результате скрещиваний, проведенных Мак-Клинток, выяснилось, что второй ген находится совсем рядом с геном, определяющим окраску (то есть очень часто передается потомству вместе с этим геном). В присутствии этого второго гена, который она назвала «хромосомный диссоциатор», ген окраски не работал. Когда же ген-диссоциатор исчезал из непосредственного соседства (перепрыгивал куда-нибудь еще), ген окраски начинал работать. Если это происходило в ходе развития отдельных зерен кукурузы, возникала пятнистость зерна.

В ходе экспериментов Мак-Клинток обнаружила, что существует еще и третий ген, расположенный далеко от первых двух. Этот ген она назвала активатором. Он был необходим для успешных прыжков гена-диссоциатора. Ген-активатор и сам по себе обладал способностью прыгать. Позднее обнаружилось, что ген-активатор тоже может менять работу соседних с ним генов.

Мутация гена окраски зерна кукурузы возникает при встраивании в него гена-диссоциатора. Если в этой же клетке есть ген-активатор, то при развитии зерна в некоторых клетках он вызывает перемещение гена-диссоциатора. Когда ген-диссоциатор удаляется, ген окраски снова начинает работать.

Таким образом, было открыто два типа подвижных элементов, названных диссоциаторами и активаторами, которые влияют на работу соседних с ними генов. Сейчас выводы Мак-Клинток о существовании двух типов подвижных элементов, сделанные на основании изучения наследования окраски зерен кукурузы, блестяще подтверждены с использованием методов генной инженерии.

В 1951 году она выступила на ежегодном симпозиуме по количественной биологии в Колд-Спринг-Харборе с итогами шестилетней работы очертив ее главные результаты и выводы. Доклад был встречен аудиторией очень холодно. Лишь немногие поняли, что она говорила, и еще более немногие готовы были согласиться с этим. Некоторые просто отказывались верить, что один человек (а Барбара всегда работала одна) мог сделать всю работу, необходимую для того, чтобы обосновать столь далеко идущие выводы.

Об упорстве и решимости Барбары Мак-Клинток говорит то, что, несмотря на такую реакцию коллег на ее работу по подвижным генетическим элементам, она продолжала ежедневно по многу часов работать в лаборатории. Более 30 лет она работала совсем одна и публиковала большую часть своих статей в ежегодном отчете Института Карнеги, избегая публикаций в широко известных журналах. Однако Барбара, по признанию тех, кто ее знал, всегда была чуткой и доброй женщиной, готовой оказать человеческую поддержку любому сотруднику лаборатории или внимательно выслушать рассказы об их личных проблемах. Ее научная изоляция отнюдь не означала того, что она игнорировала друзей и коллег.

Когда ей сообщили о присуждении Нобелевской премии, она сказала: «Не знаю, справедливо ли награждать человека за то, что все эти годы он получал удовольствие, задавая растению кукурузы разные вопросы и получая ответы». Хотя ей уже 84 года, она все так же «задает вопросы и получает ответы».

Сейчас Барбара Мак-Клинток по-прежнему живет спартанской и довольно уединенной жизнью в поселке сотрудников Лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Но она так и не стала сотрудником этой лаборатории. Она оставалась сотрудником Института Карнеги вплоть до 1967 года, когда ей исполнилось 65 лет. После этого и по сей день она является почетным членом института.

До последнего времени она жила в двух комнатах строения, бывшего ранее конюшней. Сейчас она занимает маленькую квартирку в здании общежития для сотрудников лаборатории. Как и ранее, у нее нет сотрудников, лаборанта или секретаря.

Летом прошлого года Б. Мак-Клинток побывала в Москве, на конференции Федерации европейских биохимических обществ.

Часто бывает так, что лауреат Нобелевской премии достоин этой награды не только за то, за что ему ее присудили, но также и за что-то еще. Барбара Мак-Клинток как раз пример такого ученого. Хотя ее имя стало известно большинству молекулярных биологов лишь благодаря открытию мобильных генов, любой студент-генетик в два счета вам объяснит, кто такая Мак-Клинток и в чем суть ее открытия. К вашему удивлению, это не будет открытие прыгающих генов. Открытие Мак-Клинток, описанное во всех учебниках генетики, - доказательство того, что гены находятся в хромосомах.

В начале нашего века американец В. Сэттон и немец Т. Бовери обратили внимание на сходство в распределении генов при их передаче от родителей к детям с поведением хромосом, наблюдаемым под микроскопом при делении половых клеток. Это заставляло многих предполагать, что гены находятся в хромосомах, однако четких доказательств этому до работы Мак-Клинток получено не было. Суть этой работы в том, что Мак-Клииток удалось получить линию кукурузы, одна из хромосом которой (хромосома №9) имела под микроскопом необычный внешний вид. На одном конце она имела утолщение и при этом была длиннее, чем нормальная хромосома №9. Кроме того, эта линия кукурузы имела два сцепленных гена, определяющих цвет и крахмалистость початков. Как мы знаем, сцепление связано с тем, что оба гена находятся рядом в одной хромосоме. Те редкие случаи, когда гены «расцепляются», связаны с разрывом хромосом, обменом кусками между ними. И вот обнаружилось, что именно в тех случаях, когда сцепленные признаки расходились по разным растениям, под микроскопом было видно, что заметная хромосома №9 обменивалась своими частями с другой хромосомой. После этого не осталось сомнений в том, что гены находятся в хромосомах.

Усилители

Глядя из середины 80-x годов на работу Мак-Клинток, сделанную 40 лет назад, нельзя не увидеть еще один пророческий результат ее работы. Хотя Нобелевскую премию ей присудили за открытие прыгающих генов, сама она выбрала другое название для своего открытия - контролирующие элементы. Мак-Клинток придавала значительно большее значение тому факту, что открытые ею элементы меняют работу соседних с ними генов, чем тому, что они способны менять свое положение в хромосомах.

Надо сказать, что еще в 1925 году американский генетик А. Стертевант показал, что ген может изменять свою работу в зависимости от того, какие гены его окружают, и назвал этот феномен «эффектом положения». В 30-е годы это явление было детально исследовано советским генетиком Б.Н. Сидоровым, выяснившим многие важные свойства этого эффекта.

В 1980 году эффект положения был переоткрыт на молекулярном уровне швейцарскими учеными Р. Гросшедлем и М. Бирнстилом, после чего молекулярные работы в этом направлении посыпались как из рога изобилия. Участки ДНК, способные активировать работу генов, были названы усилителями. Оказалось, что многие усилители способны активировать ген, находясь за несколько тысяч нуклеотидов от точки начала считывания гена или даже будучи встроенными в хромосому после гена. Прыгающие гены часто содержат последовательности ДНК, обладающие свойствами усилителей. Этим часто и объясняется их влияние на соседние гены. (Интересно, что в опытах Мак-Клинток подвижные элементы выключали ген, а не активировали, так что усилители могут тут быть совсем ни при чем.) Несмотря на понимание всей важности усилителей в работе генов, механизм их действия пока остается неясным.

Мак-Клинток, однако, в своих представлениях пошла еще дальше - она предположила, что открытые ею контролирующие элементы передвигаются в геноме закономерно и тем самым контролируют работу генов в ходе развития организма из зародыша. Эти представления отвергаются сейчас большинством ученых.

То, что Мак-Клинток считала возможным закономерное перемещение контролирующих элементов в ходе развития организма, сильно повредило восприятию ее открытия.

4. Очередное открытие

Прыгающие гены были открыты вновь сначала у бактерий Й. Иорданом, X. Зедлером и П. Штарлингером (ФРГ) в 1968 году, и почти одновременно они были описаны американцем Дж. Шапиро. В 1977 году они были обнаружены у высших организмов (у дрозофилы) в лабораториях наших соотечественников Г.П. Георгиева и В.А. Гвоздева. За это открытие большая группа ученых, работающих в этих лабораториях, в 1983 году была удостоена Государственной премии СССР. Интересные работы по изучению подвижных генов ведутся в Институте общей генетики АН СССР Т.А. Герасимовой совместно с сотрудниками лаборатории Г.П. Георгиева. Обнаружен новый класс мутаций - «транспозиционные взрывы» - массовое и в известной мере направленное перемещение подвижных генетических элементов.

Все эти открытия были сделаны с использованием совершенно иных методов, нежели те, которыми пользовалась Мак-Клинток. Правда, при работе с бактериями тоже все началось с того, что изучалась природа мутаций некоторых генов, которые, как затем выяснилось с помощью молекулярных методов, возникли под действием прыжка подвижного элемента.

Думая о присуждении Нобелевской премии Барбаре Мак-Клинток, невольно задаешь себе вопрос: кто же все-таки создал наши сегодняшние представления о подвижных генетических элементах - Мак-Клинток в 40-е годы или ученые, вновь их открывшие в 70-е? Не будь переоткрытия, молекулярные биологи и не вспомнили бы о Мак-Клинток. Но не будь открытия Мак-Клинток, ничего бы не изменилось в ходе развития науки - прыгающие гены открыли бы молекулярные биологи. Тогда за что же дали премию?

Премию дали за то, что Мак-Клинток все-таки была первой, хотя и не признанной долгое время. Довольно часто, и это справедливо, Нобелевскую премию дают не тем, кто создал современные представления о чем-либо, а тому, кто первый в истории прикоснулся к новому, пусть человечество это сразу и не оценило.

А то, что открытие не признали сразу, тем хуже для не тех, кто не признал. Признавших было тоже немало, только не они делали погоду в тот период развития науки. Присуждение Нобелевской премии Барбаре Мак-Клинток и им награда.

ген мутация прыгающий транспозон

5. Создан первый искусственный транспозон

Неактивные остатки транспозонов («прыгающих генов») встречаются в геномах как растений, так и животных, в том числе человека. В настоящее время ученые предпринимают попытки создания из этих фрагментов активных транспозонов для последующего использования при изучении функций генов.

Исследователям Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка (Берлин-Бух, Германия) удалось реконструировать первый активный транспозон суперсемейства транспозонов Харбингера. В лабораторных экспериментах на человеческих клетках синтетический «прыгающий ген» продемонстрировал способность к транспозиции по принципу «вырезание и вставка», что указывает на перспективность его использования в качестве экспериментальной системы для изучения функционирования генов человека.

Транспозоны составляют около 50% человеческого генома. Они являются молекулярными паразитами, своего рода «блохами», живущими в геноме организма, а не на его спине. Они прыгают, передвигаются и размножаются в клетках хозяина, без которого их существование невозможно. В большинстве случаев транспозоны не выполняют в человеческом геноме никаких функций, однако они не абсолютно бесполезны. В природных условиях встраивание транспозона иногда приводит к появлению полезных с точки зрения эволюции признаков, и такие новые гены могут закрепляться в геноме потомков мутантной особи. Согласно современным данным, считается, что более 100 активных генов человеческого организма, в том числе несколько генов, ассоциированных с иммунной системой, являются видоизмененными транспозонами.

Для реконструкции активного транспозона ученые сравнили ДНК различных неактивных транспозонов суперсемейства Харбингера (одного из наиболее крупных семейств транспозонов). На основе анализа этих последовательностей они сконструировали искусственный прыгающий ген. По словам авторов, им очень повезло, т.к. первый же эксперимент оказался удачным.

В лабораторных условиях исследователи встраивали транспозон в геном человеческих клеток с помощью «генного шаттла». В этой методике в качестве вектора (переносчика) обычно используются плазмиды, способные функционировать в организмах разных хозяев - например, в бактериальных и эукариотических клетках. Посредством механизма «вырезание и вставка» транспозон высвобождается из носителя и встраивается в геном клетки. Если при этом он нарушает последовательность какого-либо важного гена, соответственно, нарушаются и зависящие от него клеточные процессы, что позволяет ученым делать выводы о функциях, выполняемых данным геном.

С помощью компьютерного анализа авторы обнаружили два новых элемента, относящихся к суперсемейству Харбингера. В рамках нового проекта они планируют выяснить роль, выполняемую этими фрагментами ДНК в организме человека.

Со временем специалисты надеются использовать транспозоны в генной терапии. С помощью транспозонов интактные копии генов можно будет встраивать в геном пациента с целью замещения дефектных генов. Однако работать над этим предстоит еще очень много, т.к. транспозоны встраиваются в геном случайным образом, что совершенно неприемлемо для терапевтических целей.

6. Прыгающие гены обеспечивают уникальность индивидуального мозга

Мозг каждого человека уникален, даже у близнецов, идентичных по всем остальным признакам, строение этого органа индивидуально. Группе генетиков Института биологических исследований им. Салка, г. Сан-Диего, США удалось частично разгадать загадку невероятного многообразия строения и функций головного мозга.

Ключом к разгадке являются мобильные или «прыгающие» генетические элементы - фрагменты ДНК, способные перемещаться из одного места генома в другое, случайным образом изменяя генетическую информацию отдельных нервных клеток. Возникновение определенного количества таких изменений и приводит к формированию индивидуальности головного мозга.

С помощью таких мобильных элементов достигается разнообразие нейронов как по морфологии, так и по выполняемым ими функциям и последующий отбор наиболее жизнеспособных клеток. Этот процесс характерен только для головного мозга и не затрагивает другие органы.

Клетки эмбрионального головного мозга, впоследствии превращающиеся в нейроны, не отличаются друг от друга ни морфологически, ни функционально. Но, в конечном счете, они дают начало огромному разнообразию клеток, формирующих головной мозг и различающихся как по форме, так и по выполняемым функциям. Расшифровка механизмов формирования этого многообразия давно волновала умы исследователей. Ранее было высказано предположение, что процессы формирования различий клеток головного мозга схожи с процессами формирования иммунных клеток организма.

В иммунной системе гены, кодирующие антитела, перетасовываются и комбинируются, что позволяет организму синтезировать множество отличных друг от друга антител, способных распознавать неограниченное количество антигенов - чужеродных организму агентов.

Для начала авторы изучили поведение человеческого мобильного генетического элемента LINE-1 или L1 в культуре крысиных нервных клеток-предшественников. После этого помеченные специальным красителем элементы L1 были введены мышам. Каждый раз, когда L1 менял свою локализацию, клетка, в геном которой он встраивался, начинала светиться зеленым. Через некоторое время светящиеся клетки появлялись по всему объему головного мозга животных, это подтверждает, что изучаемый процесс в действительности происходит в живом организме и не может быть артефактом, проявляющимся в культуре клеток.

Перемещающиеся L1 элементы или «прыгающие гены» составляют до 17% ДНК, но известно о них совсем не много. Большинство из них не способны перемещаться из-за мутаций, нарушающих их функции, но в человеческом организме около сотни таких элементов еще не потеряли способность к смене места локализации. Ранее эти фрагменты относили к «бесполезной ДНК», они считались внутриклеточными паразитами либо атавизмами нашего эволюционного прошлого.

То, что элементы L1 активны в яичниках и яичках, было известно ранее. Этот факт объясняет их потенциальную роль в эволюции с помощью передачи новых ДНК-включений будущим поколениям.

Кроме зародышевых клеток в женских и мужских половых органах и клеток взрослого головного мозга подвижность изучаемых элементов характерна также для нейронов, находящихся на ранних стадиях развития. Исследователи обнаружили генетические вставки, образованные мобильными элементами, только в клетках-предшественниках, уже прошедших первые этапы дифференцировки в нервные клетки. Гены других типов клеток, входящих в структуру головного мозга, таких как олигодендроциты и астроциты, подобных вставок не содержат.

В зародышевых клетках копии L1 встраиваются в геном более менее случайным образом. А в нервных предшественниках эти мобильные элементы каким-то образом распознают гены, активные именно в нейронах. Возможно, когда клетка вступает на путь дифференцировки, ее гены становятся доступными для L1, а даже единичное встраивание фрагмента ДНК изменяет экспрессию генов и, соответственно, функции индивидуальной клетки.

Еще рано делать выводы о том, как часто мобильные генетические элементы перемещаются в нервных клетках человека, каким образом происходит регуляция этого процесса и что происходит при его нарушениях. Кроме того, помимо изучаемого L1 существует еще множество мобильных генетических элементов, функции которых могут несколько отличаться. На все эти вопросы исследователям еще предстоит найти ответы.

Литература

1. Георгиев Г.П. Подвижные гены. «Hayка и жизнь» №5, 1981 г.

2. Георгиев Г.П. Прыгающие гены. «Химия и жизнь» №12, 1984 г.

3. Федорофф Н.В. Подвижные генетические элементы кукурузы. «В мире науки» №8, 1984 г.

4. Xесин Р.Б. Непостоянство генома. М.: «Наука». 1984.

Размещено на Allbest.ru