Пресса об Институте. На актуальных направлениях науки проблемы регуляции функциональной активности генов

«За науку в Сибири»

13 мая 1976 г., № 20 (751)

НА АКТУАЛЬНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ НАУКИ ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛЯЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ГЕНОВ

Генетика – в настоящее время одна из главных биологических дисциплин – прошла в своем развитии большой и сложный путь, начиная с открытия законов Менделя и кончая расшифровкой генетического кода, посредством которого записана наследственная информация.

Расшифровка генетического кода – это одно из самых выдающихся событий в современном естествознании.

Нам известно теперь, как записана наследственная информация. Но как она реализуется в процессе развития и функционирования организмов, каковы те механизмы, которые регулируют и эту реализацию и, следовательно, активность генов?

Довольно много известно о регуляции активности у таких организмов, как бактерии и вирусы. И совсем мало информации по этому вопросу о многоклеточных организмах.

Регуляция генной активности у бактерий осуществляется согласно популярной теперь схеме Жакоба и Моно.

Бактерии обладают генетическим механизмов, весьма эффективным в обеспечении быстрых метаболических изменений соответственно изменениям во внешней среде.

Но перед многоклеточными организмами стоит другая задача: несмотря на изменения во внешней среде сохранить постоянство внутренней среды. Вероятно, в связи с этим структурная организация их генетического материала отличается от таковой у бактерий.

Структурные различия сопровождаются различиями функциональными. Тем не менее, и у многоклеточных имеются генетические механизмы, регулирующие развитие различных морфологических и биохимических признаков.

Уже в 30-х годах, в значительной степени благодаря трудам учеников нашего выдающегося биолога С.С. Четверикова – В.Л. Астаурова, Д.К. Беляева, Н.В. Тимофеева-Ресовского, П.Ф. Рокицкого, были сформулированы два общих принципа действия гена на признак: каждый ген влияет на все признаки, хотя его влияние на некоторые из них может быть исчезающее мало. Любой признак зависит от всех генов всего генотипа в целом, хотя бы зависимость от некоторых генов была незаметна. Таким образом, развитие каждого признака предстает как цепь последовательных генных взаимодействий, проявляющихся в определенных условиях среды.

Как это может происходить конкретно, можно показать на примере данных, полученных в Институте цитологии и генетики СО АН СССР.

В наших работах выявлено два типа регулирующих влияний генов в развитии организмов: действующие на клеточном уровне и действующие на организменном уровне. Пример ослабляющих влияний – система регуляции изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) у млекопитающих, которая обеспечивает органоспецифичность их появления.

Несколько слов о том, что такое изоферменты. В 50-е годы американский генетик Клемент Маркерт открыл, что ферменты – белки, ускоряющие биохимические реакции в нашем организме, представлены многими фракциями – изоферментами.

Лактатдегидрогеназа – один из таких ферментов. Молекула ее состоит из 4-х субъединиц полипептидов. Известны два типа субъединиц: А и В (или Н и М). Синтез каждого из них контролируется специальным геном. Эти полипептиды способны объединяться в активную молекулу лактатдегидрогеназы в любом сочетании (4А, 3АВ, 2А2В и т.д.), так что возможно образование всего пяти фракций (изоферментов) ЛДГ. Каждый изофермент имеет свой электрический заряд, и поэтому ЛДГ можно разделить в электрическом поле, используя какой-нибудь твердый носитель, – например, крахмальный или полиакриламидный гель.

Оказалось, что у исследованных животных (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы и др.) активность разных изоферментов ЛДГ в разных органах различная. Более того, если с помощью специальных разработанных в нашей лаборатории микрометодов исследовать спектр изоферментов ЛДГ в различных клетках, составляющих один и тот же орган, – он тоже будет разным. Раньше считали, что это объясняется дифференциальной активностью структурных генов, кодирующих разные субъединицы ЛДГ. Но это, по-видимому, не так. Используя меченые аминокислоты, удалось выяснить, что синтез субъединиц А и В начинается в развитии млекопитающих в одно время, так что гены А и В активируются одновременно и функционируют, по всей вероятности, более или менее одинаково.

Например, в эритроцитах некоторых пород лис и овец присутствует только быстрый изофермент ЛДГ (4В). В других клетках есть все пять изоферментов. Значит ли это, что в эритроцитах соответствующий ген не работает? Оказывается, нет. Субъединица А тоже присутствует в клетках красной крови, но другие гены обусловливают синтез белков, соединяющихся с этими субъединицами и мешающих объединяться с полипептидом В. В нашей лаборатории открыты такие гены у лис и овец, американцы описали их у мышей. Гены так и названы: гены-регуляторы ЛДГ. Они, действительно, регулируют особенности проявления биохимического признака и даже определяют полное отсутствие четырех из пяти изоферментов ЛДГ в некоторых клетках. Но это происходит не так, как у бактерий, не на уровне транскрипции, синтеза РНК, а на уровне белковых продуктов, на уровне посттрансляционных событий.

Такой способ регуляции нередко ведет и к видимым простым глазам последствиям. Те, кто посещал биологические учреждения, знают, что лабораторные мыши или крысы бывают разного цвета – коричневые, черные, серые, а то и белые, альбиносы. До недавнего времени считалось, что альбинизм у мышей обусловлен мутацией гена «с», структурного для тирозиназы – фермента, благодаря которому образуется пигмент. Но у мышей – альбиносов были обнаружены молекулы тирозиназы, которые были, однако, соединены с посторонними белками, подавляющими их активность. Очевидно, ген «с» контролирует синтез этих белков и тем самым оказывает регулирующее влияние на функцию тирозиназы, снижая ее, а в крайних случаях (например, альбинизм), – полностью подавляя.

Пример противоположных влияний генов – модификаторов на биохимические признаки. У нас в лаборатории живут два родственных вида дрозофилы. Самцы этих видов отличаются по наличию в половых органах особого фермента (эстераза), который разрушает жиры в половых путях самки и способствует оплодотворению. У мушки, с которой мы работаем – 6 хромосом, и структурный ген, кодирующий синтез эстеразы, мы локализовали во 2-й хромосоме. От чего зависит наличие или отсутствие органоспецифической эстеразы: от активности самих структурных генов или активности генов – регуляторов? На каком уровне гены-регуляторы влияют на продукты структурных генов?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно, применяя генетические методы, «синтезировать» мушек, несущих хромосомы разных видов и в разных сочетаниях. Такой «синтез» осуществляется на основе использования видимых глазом маркеров, т.е. мутаций, затрагивающих разные хромосомы и находящих выражение во внешних признаках организма (цвет глаз и тела, форма крыльев, их величина и жилкование и т.д.). Мы использует один вид дрозофилы такого типа, а у другого получаем мутации во всех хромосомах, – он, так сказать, меченый. У гибрида между нормальным и меченым видами мутантные признаки не проявляются, потому что они рецессивные. Поэтому о присутствии хромосомы «дикого» типа можно узнать по внешнему виду, фенотипу мухи, отсутствию мутантных признаков.

Изучая биохимическими методами таких особей, мы установили, что присутствие или отсутствие органоспецифической эстеразы зависит от наличия Х-хромосомы дикого типа. Оказалось, что она дает сигнал 2-й хромосоме (где расположен структурный ген, кодирующий эстеразу) начать синтез специфической информационной РНК и определяет, сколько молекул такой РНК нужно синтезировать.

Есть еще, оказывается, специальные гены, которые строго следят за тем, чтобы трансляция, синтез белка (эстеразы в нашем случае) начинался в нужный момент. Они расположены в 5-1 хромосоме, и пока они не начнут работать, органоспецифический продукт не образуется. Есть основания предполагать, что они вырабатывают РНК для транспорта тех аминокислот, которых особенно много в молекуле органоспецифического фермента.

Описанные особенности функционирования регулирующих генов порою позволяют наблюдать замечательные события. У нас в лаборатории есть два вида дрозофилы, у которых «испорчены» разные регуляторные системы, и потому в их половых органах отсутствует эстераза. И вот если совместить в одной особи хромосомы от этих двух видов, то несмотря на то, что исходные виды не образуют органоспецифический продукт, такая «синтетическая» особь приобретает способность его образовывать. Мы научились переносить кусочки хромосом от одного вида другому и, таким образом, определять, в каком месте данной хромосомы располагаются соответствующие гены.

В описанных примерах регуляция активности генов осуществляется на клеточном уровне, т.е. процессы, о которых рассказано, протекают в каждой клетке данного организма или в каждой клетке данного органа.

Однако у многоклеточных добавляется еще один уровень регуляции – организменный. И здесь регуляторные влияния генов тоже могут проявляться двояко: путем межклеточных взаимоотношений и путем специфического функционирования групп клеток, продукты которых оказывают влияние на весь организм или многие его органы.

Пример первого пути: смена эмбрионального гемоглобина на взрослый в процессе развития организма. Каждый из этих гемоглобинов кодируется отдельным геном. У амфибий их смена определяется не тем, что в клетках, формирующих эритроциты, происходит переключение с активности одного гена на другой, а сменой клеточных популяций. А именно: клетки, дифференцирующиеся в эритроциты в желточном мешке, продуцируют эмбриональный гемоглобин. Популяция клеток, дающая начало печеночному кроветворению, синтезируют «взрослый» гемоглобин.

Таким образом, проявление даже отдельных биохимических признаков в фенотипе животных определяется сложными взаимодействиями структурных и различных регуляторных генов, осуществляющимися на многих уровнях, в том числе, и тканевом.

Особый интерес представляет второй способ регуляции генной активности на организменном уровне. Дело в том, что у высших многоклеточных существуют специальные органы, в которых вырабатываются гормоны, оказывающие влияние на развитие и функцию многих других органов – мишеней. Во многих случаях гормоны оказывают прямое или косвенное влияние на активность генов, что показано в нашем институте в лабораториях Р.И. Салганика и И.И. Кикнадзе.

В то же время гены, контролирующие уровень различных гормонов в организме, в значительной степени определяют характер ответа животных на стрессовые, чрезвычайные ситуации. Это особенно важно, поскольку в последние годы в связи с интенсификацией животноводства животные нередко оказываются в физиологических условиях, близких к стрессовым, а иногда и испытывают стрессовые воздействия. Содержание их в необычных условиях промышленных комплексов ставит целый ряд проблем, качающихся подбора животных, устойчивых к стрессу, а, следовательно, обладающих таким комплектом регулирующих генов, который обеспечивает благоприятный гормональный баланс и специфическую организацию функционирования эндокринной системы.

Получены некоторые обнадеживающие результаты, касающиеся использования регуляторных свойств генетикоэндокринологической системы для практического животноводства. Так, Д.К. Беляевым и сотрудниками обнаружено, что изменения в эмбриональной смертности и плодовитости млекопитающих, которые вызываются нарушениями фотопериодизма, обусловлены изменениями гормонального баланса на основе воздействий на гипоталамо-гипофизарную систему матери. В опытах на норках показано, что дополнительное освещение самок вызывает повышение плодовитости за счет снижения эмбриональной смертности.

Дополнительное освещение грузинских белых самок лисиц в период беременности снимает действие мутации, вызывающей гибель зародышей на самых ранних стадиях развития. В результате чего рождаются особи, которые в обычных условиях погибают в утробе матери. Таким образом, действие светового фактора специфически повышает жизнеспособность зародышей, несущих «вредные», гибельные для них гены. Как показали Д.К. Беляев с сотрудниками, отбор животных по повышению, в результате которого происходят существенные изменения в эндокринных функциях, вызывает перестройку в дестабилизацию формообразовательных процессов и открывает новые возможности для селекционного процесса и эволюции животных.

Все вышесказанное свидетельствует об активности развития генетико-эндокринологических исследований, анализа полиморфизма в популяциях животных по уровню различных гормонов, по устойчивости к стрессу, определения характера генетического контроля этих признаков, разработки и внедрения в практику соответствующих рекомендаций по отбору и селекции животных, особенно пригодных для разведения в условиях промышленных комплексов.

Итак, регуляция функций генов у многоклеточных включает несколько уровней, начиная с синтеза РНК и кончая событиями на организменном уровне. Характерно при этом, что во-первых, изменения, претерпеваемые ядрами и расположенными в них хромосомами, носят обратимый, функциональный характер, так что в разных органах и тканях, на разных стадиях развития функционируют разные гены, разные участки хромосом. Во-вторых, эти функциональные изменения складываются на основе взаимодействия ядра и цитоплазмы.

Оба упомянутых принципа были доказаны с помощью замечательного метода трансплантации ядер, разработанного Бриггсом и Кингом и использованного в опытах на яйцах амфибий. Суть метода заключается в том, что из готового к оплодотворению яйца удаляют собственное ядро (обычно путем ультрафиолетового облучения) и затем «инъецируют» в него ядро из какой-нибудь клетки другого яйца или зародыша данного вида. В определенном проценте случаев такое яйцо нормально развивается и дает начало зародышу. Гёрдону удалось добиться развития взрослой лягушки из такого яйца после пересадки в него ядра из дифференцированной клетки развитого кишечника лягушки. В принципе, используя метод трансплантации ядер, можно получить большое количество «копий» (клон) данного животного. Для этой цели необходимо выделить нужное число ядер из его самотических клеток и трансплантировать их в энуклеорованные (лишенные ядер) яйца – реципиенты.

В настоящее время стоит вопрос о получении клона млекопитающих. В этом случае задача сложнее, чем у амфибий, поскольку яйца млекопитающих меньше по размерам, чем у амфибий, и легко травмируются при операциях. Однако принципиально она разрешима. Схема такого рода эксперимента следующая.

У животного, которое желательно клонировать (например, обладающего какими-то очень важными хозяйственно-полезными качествами), берут кусочек соматической ткани и культивируют его вне организма. Из такой интенсивно пролиферирующей культуры выделяют ядра и трансплантируют их в энуклеированные яйца – реципиенты от любого другого животного данного вида. Затем эти яйца культивируют в специальной среде, где они развиваются до стадии, на которой приобретают способность имплантироваться в матку. После этого их помещают в матку приемной матери, специально для этого подготовленной, где зародыши развиваются до рождения. Предполагается, что они будут точными копиями животного – донора ядер.

Разработка метода клонированного разведения млекопитающих позволит получать и поддерживать в течение неограниченного времени определенное количество копий уникальных животных – производителей и обеспечить этими «копиями» различные хозяйства страны.

Таким образом, изучение механизмов регуляции генной активности у многоклеточных имеет не только чисто теоретическое, но и практическое значение, и дальнейший прогресс в этой области обеспечит, по-видимому, практические выходы все большего значения.

Л. Корочкин доктор медицинских наук, Институт цитологии и гене- тики СО АН СССР г. Новосибирск