История изучения мутационного процесса

Конец 19 – начало 20 века ознаменовалось открытием количественных закономерностей передачи наследственных признаков в ряде поколений и формированием представлений об организации материального субстрата наследственности и изменчивости.

Термин «мутация» в учение о наследственности в конце 19 века ввел голланский ботаник Г. Де Фриз. Он заимствовал этот термин у палеонтологов, называших «мутациями» резкие смены представителей ископаемой флоры и фауны в последовательных слоях геологических отложений. К этому же феномену восходит его концепция «мутационных периодов, признанная некоторые закорномерности эволюционного процесса. Кроме того, Де Фриз известен как исследователей, вторично открывший законы Мендаля. История изучения биологического процесса, ведущего к образованию мутаций, делится условно на пять периодов [[3]].

Первый из них начался одновременно с переоткрытием законов Менделя и длился с 1900 г. почти четверть века. Были развиты представления о мутациях и о частоте их возникновения, разработаны методы их количественной оценки. Основной концептуальный вклад в эту область принадлежит Томасу Моргану и его школе. Морган, как уже отмечалось, "материализовал" понятие мутаций, связав их с изменениями генетических локусов хромосом. Ученик и последователь Моргана Меллер в 1921 году высказал идею о сохранении способности гена к самовоспроизведению при изменении его свойств. "Когда изменяется структура гена... каталитические свойства гена могут соответственно измениться так, чтобы сохранить его способность к автокатализу". Это свойство генов получило впоследствии название конвариантной редупликации.

Г. Меллеру же принадлежит концепция "скорости генетического процесса". В 1927 году он ввел в практику применяемый до сих пор на дрозофиле метод измерения этой скорости, за что получил Нобелевскую премию в 1946 г.

Второй период начался с открытия в 1925-1928 гг, когда проводятся исследования по радиационному мутагенезу, Н. В. Тимофеев-Ресовским и Циммером формулируются основные положения теории мишени, происходит открытие мутагенного действия ультрафиолетового излучения, ведется дискуссия о природе генных мутаций, представляют ли они собой истинные точковые мутации или внутригенные перестройки - делеции и дупликации. В этот период основным объектом для исследования закономерностей мутационного процесса становится D. Melanogaster.

Третий период, длившийся до 1953 г., ознаменован открытием химического мутагенеза и концепции предмутационных или потенциальных повреждений, что привело затем к открытию репарации ДНК. В эти же годы М. Е. Лобашов формулирует концепцию о возникновении мутаций в процессе нетождественной репарации клеточных повреждений.

Начало четвертому периоду было положено раскрытием структуры ДНК в 1953 г. Предложенная Уотсоном и Криком модель двойной спирали позволила на молекулярном уровне объяснить не только точность репликации генов, но и механизм возникновения возможных ошибок в них. В этот период, длившийся немногим более 10 лет, была выдвинута идея Г. Меллера об автокаталитической способности генов, которая воплотилась в открытие авторепликации комплементарных цепей ДНК, проведено исследование химии нуклеиновых кислот и построение биохимической и молекулярной концепции мутагенеза, исследованы механизмы фоторепарации, мутагенной специфичности и индуцированной нестабильности. Однако, несмотря на эти успехи, отмечает Ш. Ауэрбах (1978), нестабильность гена оставалась "интригующей проблемой"[[4]].

Вместе с тем накапливалось всё большее число фактов, указывающих на то, что возникновение мутаций - это сложный, многоступенчатый биологический процесс, тесно связанный с ростом и метаболизмом клеток, с активностью ферментов, вовлечённых в осуществление репликации, репарации и рекомбинации ДНК, с взаимодействиями ядерных и цитоплазматических генов. Изучением всех этих факторов мутагенеза в их совокупности характеризуется современный пятый период исследования проблем мутагенеза, начавшийся в начале 60-х годов с открытием явления репарации ДНК, т.е. восстановления её нормальной структуры после действия различных повреждающих агентов.

Итак, к середине 70-х годов стало очевидно, что мутации - это внезапно возникающие изменения генетического аппарата организма, приводящие к тем или иным изменениям его морфологических или физиологических признаков.

Специфическим для радиационного воздействия типом мутации, при которых изменяется структура хромосом, являются хромосомные аберрации. Впервые были обнаружены в экспериментальных исследованиях на D. Melanogaster. В некоторых скрещиваниях соотношение числа потомков в разных классах сильно отличалось от ожидаемого, что объяснили наличием перестроек в хромосомах родителей. К. Бриджес впервые описал делеции, дупликации и транслокации, а в 1921 г А.Стёртевант, сравнивая порядок генов в хромосоме 3 у D. melanogaster и D. Simulans, описал первую инверсию.

В современной генетике хромосомные перестройки выявляют и анализируют при помощи цитогенетических методов, наиболее часто анализ хромосомных перестроек проводят цитологически на стадии метафазы. Самым распространенным и доступным цитогенетическим методом является метод дифференциальной G-окраски хромосом (G-бэндинг). С конца 1980-х годов для выявления хромосомных перестроек применяют метод флуоресцентной гибридизации in situ с использованием ДНК-проб к отдельным хромосомам или хромосомным локусам.

Применение цитогенетических методов в ФГУП «Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский НИИ экспериментальной физики» для оценки эффектов облучения началось в 70-е годы прошлого столетия. За эти годы были исследованы количественные закономерности образования аберраций при действии различных видов ионизирующих излучений, проведено цитогенетическое обследование когорт сотрудников института, которые подвергались профессиональному облучению.

От генетики к эпигенетики

Сегодня ген все еще остается фундаментально гипотетической концепцией, под которой чаще всего понимают некоторый сегмент или сегменты ДНК, содержащие последовательную информацию, которая используется в качестве поддержки при строительстве белков или других продуктов, выполняющих биологическую функцию. Однако, морфогенез и функционирование органов человека и других видов млекопитающих, дифференцировка клеток и многие другие процессы контролируются не только генетическими, но и эпигенетическими механизмами регуляции [[5],[6],[7]]

Термин «эпигенетика» (как и «эпигенетический ландшафт») был предложен Конрадом Уоддингтоном в 1942 году, как производное от слов генетика и эпигенез. Когда Уоддингтон ввел этот термин, физическая природа генов не была до конца известна, поэтому он использовал его в качестве концептуальной модели того, как гены могут взаимодействовать со своим окружением при формировании фенотипа [5].

Робин Холлидэй определил эпигенетику как «изучение механизмов временного и пространственного контроля активности генов в процессе развития организмов» [6]. Таким образом, термин «эпигенетика» может быть использован, чтобы описать какие-либо внутренние факторы, которые влияют на развитие организма, за исключением самой последовательности ДНК [5,6].

Использование этого слова в научном дискурсе является более узким. Греческий префикс epi- в слове, подразумевает факторы, которые влияют «поверх» или «в дополнение к» генетическим, а значит эпигенетические факторы воздействуют вдобавок или помимо традиционных молекулярных факторов наследствености.

Современные авторы продолжают уточнять и обсуждать определение эпигенетики. Наиболее часто использующееся в настоящее время определение эпигенетики было введено А.Риггсом в 90-х годах XX века и формулируется как «изучение митотически и/или мейотически наследуемых изменений в функции генов, которые не могут быть объяснены изменениями в последовательности ДНК» [7].

Одно из определений эпигенетики — в биологии, в частности в генетике — представляет собой изучение закономерностей эпигенетического наследования — изменения экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими изменение последовательности ДНК [5]. Вместе с тем эпигенетика рассматривается как наука о наследуемых свойствах организма, которые не связаны с изменением последовательности нуклеотидов ДНК и могут быть опосредованно закодированы в геноме [[8]].

Очевидно, что при обсуждении механизмов этого явления стала очевидной необходимость новой терминологии, введения новых понятий. Появилось понятие «эпигенетическая регуляция экспрессии генов» – потенциально наследуемый код, отличный от геномной последовательности нуклеотидов. Под эпигенетическим наследованием подразумевается способность различных состояний генетического материала (имеющих разные фенотипические отображения) быть переданными по наследству без каких-либо изменений в последовательности ДНК [[9]]. Под эпигенетической изменчивостью подразумевают наследуемые изменения генной активности. От мутаций они отличаются тем, что меняется активность, а не структура генетического материала, а от модификаций – тем, что вновь возникшее изменение генной активности наследуется в ряду поколений [[10]].

В 1975 г. Артур Риггс, а также Р. Холлидей сообщили о том, что инактивация Х-хромосомы и, стало быть, половая дифференцировка у млекопитающих связаны с метилированием ДНК. Была открыта тканевая разнокачественность метилирования ДНК и было сформулировано представление о том, что метилирование ДНК – механизм регуляции экспрессии генов и клеточной дифференцировки. На самом деле это был первый материальный химически идентифицированный и расшифрованный эпигенетический сигнал. Сформировано представление об эпигеноме, так что фенотип любого организма представляет собой суммарную реализацию генома и эпигенома. Уже вошли в употребление понятие и термин эпимутации. Наряду с генетическими болезнями существуют эпигенетические заболевания. Нарушения в эпигеноме вызывают рак, диабет, астму, многие психические и другие заболевания. В результате фундаментальных эпигенетических исследований изменились наши представления о генетической идентичности гомозиготных близнецов, клонов животных и растений. Оказалось, что они могут существенно различаться по эпигенетическим профилям. Сомаклональная изменчивость часто во многом обусловлена эпигенетическими изменениями [5].

Несмотря на грандиозные успехи молекулярной биологии и молекулярной генетики конца ХХ и начала ХI века очень многие важные проблемы общебиологического значения остаются нерешенными. И среди них важнейшими являются механизмы клеточной дифференцировки и регуляции активности генов. В связи с этим эпигенетика – новый обширный и многообещающий горизонт наших знаний в постгеномную эру. Действительно, мы наследуем нечто большее, чем сумму генов, а по мнению Нобелевского лауреата Д. Уотсона, «что-то еще и кроме последовательностей ДНК». Все это подчеркивает лишний раз, что без эпигенетики невозможно решение главной проблемы биологии – исследования пусковых механизмов регуляции экспрессии генов и клеточной дифференцировки при разных условиях среды.

Заключение

История развития молекулярной биологии гена на протяжении конца ХIХ века – начала ХХI связана с изменением представления о единственной роли ДНК как материального носителя генетической информации.

Накапливающийся на протяжении ХХ столетие материал свидетельствует о том, что в реализации клеточного ответа на воздействие ДНК выступает как единая структурно-функциональная единица, признанная защитить себя как матрицу и другие клеточные элементы от разрушительного действия внешнего фактора.

Список литературы

[1] Айала, Ф. Современная генетика: монография: в 3 т. / Ф. Айала, Дж. Кайгер. -М.: Мир, 1988. –Т.3. -335 с

[2] Кудряшов, Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения): монография / Ю.Б. Кудряшов. –М.: Физматлит, 2004. -448 с.

[3] Разин, С.В. Хроматин: упакованный геном: монография / С.В. Разин, А.А. Быстрицкий. –М.: Бином, 2009. -176 с.

[4] Ш.Ауэрбах. Проблемы мутагенеза.Издательство «Мир».М.1978.с.163-205.

[5] Эллис С.Д., Дженювейн Т., Рейнберг Д. Эпигенетика М.: 2010 - 496 с.

[6] Holliday, R., 1990. Mechanisms for the control of gene activity during development. Biol. Rev. Cambr. Philos. Soc. 65, 431—471

[7] Riggs A. D., Martienssen R. F., Russo V. E. A. Introduction // Epigenetic Mechanisms of Gene Regulation / V. E. A. Russo et al. — New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press. — С. 1-4.

[8] Ванюшин Б. Ф. Эпигенетика сегодня и завтра. Вавиловский журнал генетики и селекции 2013;17(4/2):805–32.

[9] Льюин Б. Гены. М.: Бином, 2012. 896 с.

[10] Голубовский М. Д. Организация генотипа и формы наследственной изменчивости эукариот. Молекулярные механизмы генетических процессов: молекулярная генетика, эволюция и молекулярно-генетические основы селекции. М.: Наука, 1985. С. 146–62.