КОНТРОЛИРУЕМЫЕ МУТАЦИИ

Никто сейчас не может ответить на вопрос, можно ли найти такие специальные

воздействия, подобные, например, специфическим антителам, которые могут

вызвать изменение индивидуальных генов. Очевидно, следует продолжать поиски

таких воздействий, а также способов увели­чения контроля над

микроскопическими и субмикроскопическими событиями. Однако пока

нет никаких достоверных данных о том, чтобы нечто в этом духе было проделано

искусственно или происходило естественно. Очевидно, что нельзя выработать

единого метода контроля состояния гена, если он вообще возможен, без более

глубокого, чем сейчас, знания тонкой химической структуры и функций самых

сложных и разнообраз­ных из существующих веществ, а именно нуклеопротеидов,

белков вообще и ферментов в частности. Работы Самнера, Нортропа и Стэнли и

других химиков, изучающих белки, дают указания в этом направлении, однако все

согласятся, что здесь начинается длинная и запутанная система дорог.

Правда, известны некоторые случаи, когда определенные мутабильные гены

изменяются в ответ на соответствующие условия. Такие случаи могут помочь

пролить свет на структуру гена, но пока у нас нет никаких указаний, что

изменения этих генов, которые в большинстве известных случаев являются

ненормальными генами, имеют что-то общее с обычны­ми естественными мутациями.

Известно также, что у бактерий и у виру­сов можно иногда индуцировать

определенные типы наследственных изменений под воздействием определенных

веществ, но в этих случаях всегда оказывается, что действующие вещества и

вещества, наличие кото­рых затем индуцируется, оказываются идентичными, так

что можно подозревать, что они на самом деле определенным образом внедрились

в клетки, и поэтому здесь мы не имеем дела с истинными специфическими

индуцированными мутациями.

До сих пор у нас нет ни способов, ни перспектив индукции по желанию

определенных мутаций в обычных организмах. Однако в качестве первого шага в

этом направлении, если оно вообще возможно, можно рассматри­вать получение

большого количества случайных мутаций. Пока мы не можем направлять процесс

мутации, громадную роль играет селекция, и прогрессивное изменение

наследственных свойств живого организма можно осуществить лишь путем

максимально радикальной селекции возникающих мутаций, поскольку подавляющее

большинство из них, не являясь адаптивными, обладает вредными свойствами. Для

заметного прогресса обычно необходимо накопление значительного числа редких

шагов в этом трудном селективном процессе. Большинство из них являет­ся

индивидуальными маленькими шагами, но, как показали межвидовые и межродовые

скрещивания, возможен ряд больших резких шагов, которые, по терминологии

Хаксли, были «забуферены» небольшими изменениями, приготовившими организм к

ним. Это накопление многих редких, как правило, незначительных изменений,

является не только основным способом искусственного усовершенствования

животных и расте­ний, но даже в большей степени характерно для протекания

естественной эволюции под влиянием естественного отбора. Таким образом теория

Дарвина получает твердую основу и освобождается от представлений ламаркизма о

направленной изменчивости, которые некогда обременяли ее.

Вероятно, что в природном состоянии у большинства видов частота мутаций не

намного ниже (хотя и ниже), чем это для них было бы наиболее выгодно,

принимая во внимание степень строгости естественного отбора у данного

вида.Гораздо большая частота мутаций привела бы,по-видимому,

к такой большой скорости генетических дегенеративных процессов, что

естественный отбор не смог бы им противодействовать. Но в условиях

искусственного разведения, когда селекция может быть более эффективной,

повышенная частота мутапчй в некоторых случаях допустима. Кроме того,

в искусственных условия можно выращивать организмы с большими

мутациями, до тех пор пока они не окажутся соответствующим образом

забуферены. При этом можно получить практические результаты, при­

меняя рентгеновы или ультрафиолетовые лучи,а также другие воздействия,

что наиболее ярко показал Густафссон для рентгеновых лучей.Это особенно

справедливо для видов, у которых и в природных условиях имеет место

интенсивный инбридинг, или ярко выраженная гаплоидная фаза, или

гаплоидна значительная часть генотипа, поскольку при таких условиях

многие спонтанные мутации, которые в противном случае могли бы

накопляться в популяции, а затем выявиться при инбридинге, отсеваются

до того, как их можно обнаружить. В результате этого естественная

частота мутаций оказывается ниже.

До сих пор мы в основном рассматривали связь между возникновением генных

мутаций и проблемой общего характера эволюции, в частности природой

наследственных изменений. Исторически это был основной путь, по которому

развивались подходы к искусственному получению мутаций. Однако с самого

начала было очевидно, что, как мы уже однажды говори­ли, индукция мутаций

может дать нам в руки чрезвычайно тонкие методы для последовательного анализа

физиологического, эмбриологического и биохимического строения и

функционирования живых существ. Работы с использованием спонтанных мутаций,

такие, как, например, Бонневи, Грюнберга, Скотт-Монкрифа, Эфрусси и Бидла,

уже сейчас показали, как много можно узнать о сложных процессах, посредством

которых гены приводят к образованию организма, если внимательно прослеживать

эффекты и взаимодействие эффектов всего одной или нескольких мутаций. Но

генов тысячи, и было бы желательно выбирать их для исследования в

определенном порядке, по мере того, как мы продвигаемся в нашем про­цессе

анализа. По этим причинам мы считали, что будет часто выгодно искусственно

получать мутации в больших количествах, чтобы затем иметь выбор и брать те

гены, которые лучше подходят для последовательных этапов нашего анализа.

Недавняя работа Бидла и сотрудников на нейроспоре и последовавшая затем

аналогичная работа Мелина и Фрайса ярко показала приложимость этого метода

для изучения путей биохимического синтеза аминокислот, витаминов, пуринов,

пиримидинов и пр. И все же в известном смысле вся эта область в целом пока

лишь слегка затронута и мы можем с уверенностью ожидать, что сочетание этого

метода с методом меченых атомов и со всеми другими методами биохимии,

физиологии и экспериментальной эмбриологии будет способствовать распутыванию

того чрезвычайно сложного клубка процессов, из которых состоит живое

существо. Однако у нас нет времени далее углубляться в этот предмет.

ХРОМОСОМНЫЙ АНАЛИЗ

Мы не можем избежать здесь краткого изложения другой стороны работы по

искусственным мутациям, которая особенно интересна генетикам, а именно

дальнейшего анализа свойств хромосом и их частей, проведен­ного

главным образом в исследованиях, где эти части удалялись, добав­лялись или

перегруппировывались. Мы уже мимоходом отмечали, что при исследовании

механизма таких структурных изменений сложилась сравнительно простая общая

схема механизма их образования: сначала возникают разрывы хромосомы, а затем

происходит соединение разорван­ных концов. Было с самого начала очевидно, что

с помощью таких перестроек хромосом можно получить дополнительные

доказательства физиче­ской реальности карт сцепления. Это и было проделано

(Меллер и Пайнтер). Далее оказалось возможным пролить некоторый свет на

проблему крос-синговера, показав, например (Меллер, Стон и Офферманн), что в

какое бы место хромосомы не была перенесена центромера, она оказывает

силь­ное подавляющее действие на кроссинговер, причем степень этого

подав­ления постепенно уменьшается с расстоянием от нее. Более того, это

оказалось справедливым для любой точки, в которой нарушается непре­рывность

спаривания хромосом за счет гетерозиготности по структурному изменению. Такие

исследования кроссинговера и сил конъюгации, влияю­щих на расщепление, могут

быть еще успешно расширены.

Мы должны помнить, говоря о центромере и других явно выделенных участках

хромосомы, что до тех пор, пока не изучено влияние удаления или перемещения

этих участков, у нас нет никакого права считать их автономными локально

определенными структурами, зависящими только от тех генов, которые находятся

в области этих структур. Поэтому для того, чтобы сделать вывод, что

центромера в большинстве случаев являет­ся такой автономной органеллой,

зависящей только от гена или генов, находящихся в непосредственной близости

от нее (но не во всех случаях в непосредственной близости, как недавно

показал Роде для определенной линии кукурузы), понадобились исследования

индуцированных инверсий, делеций и транслокаций хромосом. Аналогично удалось

показать (несмот­ря на ряд утверждений противоположного характера,

справедливость которых мы не можем здесь обсуждать), что свободный конец

хромосомы или теломера образует у многих объектов локально детерминированную

специ­фическую структуру.

При сочетании генетического и цитологического анализа различных разрывов и

перестроек было обнаружено, что в хромосоме имеются четкие локально

детерминированные области, обычно наиболее развитые около центромеры.

Первоначально их называли «инертными», а сейчас обычно называют

«гетерохроматиновыми» областями. Эти области были также независимо обнаружены

в чисто цитологических исследованиях Хейтса. Было бы очень заманчиво обсудить

здесь те замечательные особенности, которые выявились при цитогенетическом

изучении этих областей (данные о повторении более или менее одинаковых

частей, о стремлении участков, расположенных в разных местах, конъюгировать

друг с другом, о четких цитологических различиях, в случае наличия или

отсутствия такой конъюгации, о чрезвычайно высокой тенденции к структурным

измене­ниям, о сильном влиянии некоторых генов, находящихся в этих областях,

на расщепление и так далее), а затем перейти к обсуждению гипотез об

эволюционном происхождении и функциях гетерохроматина. К сожале­нию, это

увело бы нас слишком в сторону от темы. Однако мы должны указать на одно

обстоятельство, пока еще не осознанное большинством исследователей.

Существуют очень веские данные, что участки хромосом, известные под названием

«гетерохроматина», в том виде, как они выявля­ются на стадии митоза у

дрозофилы, являются просто большими непосто­янными образованиями, состоящими

из вспомогательного негенетического нуклеопротеида, образованного под

влиянием одного или двух опреде­ленных генов из той дюжины или несколько

большего числа генов, состав­ляющих всю гетерохроматиновую область. Это

доказывается генетиче­ским анализом и видом хромосом в стадии покоя

(например, в слюнных железах).И не эти бросающиеся в глаза негенетические

блоки ответствен­ны за остальные известные особенности гетерохроматина;

функции же этих блоков пока не известны. Иными словами, так называемый

«гетерохроматин», с которым имеют дело цитологи при изучении митотических

хромосом, является совсем не тем, хотя и находится рядом с тем истин­ным

гетерохроматином, который обладает вышеперечисленным набором свойств. Более

того, удалось показать (Сеттон-Герш в сотрудничестве с автором, не

опубликовано), что четко выраженные ядрышки, часто связанные с

гетерохроматином, образуются под влиянием других автоном­ных генов,

расположенных в нем, но не тех, которые ответственны за блоки, видимые в

митозе.

Одним из самых интересны; открытий, сделанных при изучении хромосом дрозофилы,

осуществивших перестройку в результате облуче­ния, было выяснение

универсальности явления, известного как «эффект положения». Этот эффект был

впервые обнаружен Стертевантом для случая спонтанного мутанта, известного под

названием полосковидные глаза (Ваг), однако до тех пор, пока нельзя

было изучить большое количест­во перестроек, оставалось неясным, насколько

общим является этот фенмен. Термин «эффект положения» подразумевает, что работа

гена в определен­ной степени зависит от других генов, лежащих по соседству с

ним. Теперь имеются достоверные данные, что эффект положения представляет собой

общее явление, распространяющееся на очень многие, если не все гены дрозофилы,

и что их работу можно как качественно, так и количествен­но контролировать

характером соседних генов. Некоторые гены при этом дают гораздо больший эффект,

чем другие, и разные гены действуют в разных направлениях и в разной степени.

Возможно, что эффект положения обусловлен, как предположил Стертевант,

взаимодействием генных продуктов в непосредственной близости от генов, их

образующих. Для этого надо допустить, что эти продукты находятся там в

большей концентрации и в таких условиях сильнее взаимодействуют друг с

другом, чем в разведенном состоянии. Однако мы предпочитаем другое

объяснение, по которому действие гена зависит от его формы и она в свою

очередь изменяется от силы и природы сил синапсиса, действующих на область

хромосомы, в которой находится этот ген. Эти силы могут слагаться из сил,

действующих на ген со стороны других как аллельных, так и не аллельных генов

(Меллер). Эти силы могут зависеть от уровня спирализации участка хромосомы и

от других причин, которые в свою очередь частично зависят от сил синапсиса

(Эфрусси и Сеттон). Эта гипотеза в любом варианте может объяснить, почему

эффект положения гораздо больше распространен у дрозофилы, относи­тельно

которой известно, что сила

синапсиса в значительной мере про­является и в митотических клетках, по

сравнению с другими изученными организмами, у которых эти силы либо гораздо

слабее, либо вовсе отсут­ствуют в соматических клетках. Это объяснение также

согласуется с тем, что, как обнаружил автор, в гетерохроматиновых областях

имеется тенденция к образованию особенно сильного и выраженного эффекта

положения, причем эффект изменяется в зависимости от полного коли­чества

гетерохроматина, присутствующего в клетке, а также от колебания ряда факторов,

действующих в эмбриогенезе. Эти генетические наблюдения согласуются с

цитологическим проявлением обнаруженного впервые Прокофьевой влияния

гетерохроматина на растяжение, поведение при синапсисе и другие свойства

находящегося по соседству эухроматина. Прокофьева показала, что эти эффекты

подвержены сходным колебаниям, которые коррелируют с вариациями в фенотипически

наблюдаемом эффек­те положения. Недавние наблюдения Эфрусси и Сеттона,

сделанные вслед за предположениями автора и Штерна, также, по-видимому,

указывают на то же, поскольку они позволили обнаружить зависимость прояв­ления

эффекта положения в определенном участке хромосомы от расположения участков в

гомологичной хромосоме. Если это объяснение, основанное на роли формы гена,

окажется правильным, откроется воз­можность по-новому подойти к выяснению

структуры и характера дей­ствия генов, при этом возможно удастся показать

тесную связь этих свойств с нуклеопротеидным составом и свойствами гена.

Другое применение процесса разрывов и перестроек хромосом, выз­ванных

радиацией, заключалось в изучении влияния добавления или утери небольших

участков хромосом для выяснения связи между дозой гена и его выражением. Та

:им способом было обнаружено, что, во-первых, большинство обычных генов даже

в единичной дозе почти полностью выражены, и, во-вторых, большинство

мутантных генов дают, в конце концов, эффект, качественно сходный, но

количественно менее выражен­ный, чем эффект их нормального аллеля.

Доминирование нормального гена над своими мутантными аллелями при этом

оказывается, как правило, частным случаем принципа, по которому одна доза

нормального гена обычно дает почти такой же, хотя и несколько меньший эффект,

что и две дозы. Это, в свою очередь, лучше всего объясняется допущением, что

такие свойства возникли в результате длительного процесса отбора нормального

гена и генов, влияющих на него, в сторону обеспечения стабильности выражения

при действии факторов внешней среды и генетического окру­жения. Эти факторы

могут количественно повлиять на действие гена, т. е. их действие аналогично

изменению дозы. Это, однако, не значит, что отбор действовал исключительно в

сторону создания доминантности нормального гена над своими аллелями, во-

первых, потому, что не все мутантные гены ведут себя просто как ослабленные

нормальные гены, и, во-вторых, потому, что те аллели, для которых проверка

влияния дозы выявляет качественно новые эффекты по сравнению с нормальным

геном, часто являются исключением из правила и не подвержены доминирующе­му

действию своего нормального гена, что и следовало ожидать по нашей гипотезе.

Среди других результатов исследований дозы генов, проведенных с

использованием фрагментов хромосом, возникших под действием радиа­ции,

следует обратить особое внимание на наблюдения, объединяемые под названием

«дозовая компенсация». Было показано, что 1) при постоянной дозе практически

всех генов Х-хромосомы, за исключением какого-либо одного гена, его выражение

столь мало отличается в случае единичной и двойной дозы, что по

соответствующему признаку обычно практически невозможно обнаружить никаких

различий, однако 2) это невидимое различие оказалось столь важным для

организма, что в процессе естест­венного отбора выработалась система

модифицирующих генов, которые называются компенсаторами. Функция

компенсаторов состоит в том, что они вызывают еще меньшую разницу в эффекте

единичной и двойной дозы генов, которые в норме имеются у соответствующих

полов, когда эти различия в дозе определенного гена одновременно

сопровождаются раз­личиями по остальным генам Х-хромосомы. По-видимому, у

каждого гена выработалась своя система компенсаторов, причем их

взаимодействие между собой очень сложно. Это позволяет посмотреть еще под

одним углом зрения на «дотошность» естественного отбора, на чрезвычайно

точную адаптивность признаков и на окончательный характер признаков, который

обычно устанавливается в результате накопления многочислен­ных малых мутаций,

связанных между собой чрезвычайно сложным функ­циональным взаимодействием.

Это согласуется с утверждением, сделан­ным ранее, что эволюция идет за счет

отбора многочисленных мелких случайных изменений.

Если сконцентрировать внимание на определенной четко ограниченной области

хромосомы, то при сравнении разных индуцированных перестроек, которые все

имеют точку разрыва в этой области, выявляется еще один факт, касающийся

делимости хромосомы и генов. С помощью специальных генетических методов, в

детали которых мы не можем здесь вдаваться, были получены данные, что разрывы

в таких ограниченных участках имеют тенденцию возникать в специфических

точках. Это указывает на то, что между этими точками лежат дискретные единицы

или сегменты, я является доводом против предположения, по которому хромосома

представляет с бой однородную непрерывную структуру. Это свидетель­ствует,

что гены соответствуют физически реальным структурам и не являются просто

удобными понятиями, произвольно выбранными генети­ками. Таким способом

оказалось возможным, кроме того, примерно оценить количество генов в

хромосоме, а также их максимальные размеры. Эти оценки согласуются настолько

близко, насколько этого вообще можно было ожидать, с теми оценками, которые

были получены в предыдущих генетических работах с использованием совершенно

других методов, хотя и не согласуются с оценками, основанными на гипотезе

«чувствитель­ного» объема.

ДУПЛИКАЦИИ И ЭВОЛЮЦИЯ

Другое наблюдение, сделанное при изучении перемещений небольших фрагментов в

другое место хромосомы, вызванных облучением, заклю­чается в том, что даже в

том случае, когда у какой-либо особи определен­ный участок имеется и в

исходном и в новом месте хромосомы, она часто оказывается жизнеспособной и

дает потомство. Именно в работах такого типа был изучен эффект добавочных доз

гена. В некоторых случаях можно даже получить

линии, гомозиготные как по новому, так и по старому участку. Это приводит к

мысли, что именно так в процессе эволюции проис­ходит удвоение хромосомного

материала. Когда при анализе ограничен­ной области Х-хромосомы, в которой

находится локус так называемого «scute» эффекта, было обнаружено, что в

действительности в нормальной Х-хромосоме имеется два очень близко

расположенных гена, дающие близко связанные эффекты («achaete» и «scute»),

стало очевидным, что это является, по всей вероятности, примером

постулированного выше явле­ния. Здесь таким образом мы видим, по-видимому,

основной, если не единственный способ (если исключить гораздо более редкие

явления полиплоидии и «тетрасомии»), с помощью которого в процессе эволюции

увеличилось число генов. По забавному совпадению как раз в это время Бриджес

занимался изучением хромосом слюнных желез и нашел прямые цитологические

доказательства существования в нормальной хромосоме таких, как он их назвал,

«повторений» и дал им аналогичную интерпрета­цию. За 12 лет, прошедших после

этого, было обнаружено несколько дру­гих четких примеров такого же типа.

Таким образом, увеличение числа генов, вызванное дупликациями небольших

участков хромосомы, чаще всего рядом с исходным участком, необходимо

рассматривать как один из основных процессов в эволюции, наряду с мутациями

индивидуальных генов. Сам по себе этот процесс не играл бы существенной роли,

но он приобретает большое значение, поскольку после дупликации возможны

дальнейшие мутации, в результате чего первоначально идентичные гены в разных

положениях начинают отличаться друг от друга. Вследствие этого увеличивается

число разных генов и зародышевые клетки, а вместе с ними процесс

эмбрионального развития и весь организм в целом могут стать более сложными.

В эволюции могут, конечно, происходить и такие перестройки хромо­сомы,

которые не приводят к увеличению числа генов, но мало вероятно чтобы они

играли столь же важную роль. Но, вызывая такие изменения в лабораторных

условиях, удалось многое узнать о том, какие бывают перестройки и каковы их

свойства. При этом можно сделать ряд выводов о жизнеспособности и

плодовитости разных типов перестроек при различ­ных генетических условиях и о

том, будут ли они обладать тенденцией к отсеву или к накоплению в популяции

данного типа. Можно показать, что некоторые из них при определенных условиях

могут иметь эволюцион­ную ценность в отношении выживаемости либо способствуя

процессу генетической изоляции либо как-либо иначе, например, влияя на

гете­розис. Таким образом, можно было сделать ряд выводов, имеющих

эво­люционное значение, и которые были затем подтверждены сравнением

хромосомных различий, существующих в действительности у разных близких родов,

подвидов и видов.

Вероятно, еще больший интерес будут представлять результаты изуче­ния

мутаций, происходящих в индивидуальных локусах. Мутации, инду­цированные

радиацией, возникают достаточно часто для того, чтобы их можно было

использовать для изучения возможностей разных локусов, однако в этом

направлении сделано пока очень мало. Аналогично, сравне­ние разных мутаций,

возникающих в одном и том же локусе, может при­вести к очень важным

результатам, особенно если учесть, что у разных аллелей, как было показано,

возможны очень сложные взаимоотношения друг с другом, вплоть до того, что

при скрещивании они могут приводить к восстановлению нормального типа. Вопрос

о том, как может меняться ген в процессе последовательных мутаций, остается

открытым. То же следует сказать о том, как меняется мутабильность гена в

результате возникновения мутации в нем самом.

Поиск по сайту: