ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2007, том 68, № 3, с. 165-169
УДК 575.8 (577.2.0)
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА И ЭПИГЕНЕТИКА В МЕХАНИЗМАХ МОРФОГЕНЕЗА
© 2007 г. Л. П. Татаринов
Палеонтологический институт РАН 117997 Москва ГСП-7, Профсоюзная ул., 123 e-mail: tatar@paleo.ru Поступила в редакцию 26.10.2006 г.
Развитие молекулярной генетики привело к кардинальному изменению взглядов на наследственность и в конечном счете означает крушение синтетической теории эволюции, рассчитанной только на микроэволюционные процессы в популяциях. Молекулярная генетика в целом достаточна для анализа эволюционных процессов у вирусов и прокариот. Но с появлением усложненного морфогенеза у многоклеточных организмов в действие вступили эпигенетические процессы. Для их понимания недостаточно обращаться исключительно к целостности организма в онтогенезе, желательно знать больше о молекулярных основах этой целостности. Одним из важных событий на этом пути стало открытие гомеобоксных генов. Кроме молекулярных процессов теория эволюции должна включать также закономерности экосистемных и биосферных процессов, что требует привлечения многих вопросов экологии, паразитологии, палеонтологии и геологии. В совокупности - это необъятная область знания, для которой построение единой теории вряд ли возможно.
Морфологическая эволюция по Дарвину основана на идее естественного отбора. Развитие в первой половине XX в. генетики привело к появлению модификации дарвинизма в виде так называемой "синтетической теории эволюции" (Huxley, 1942). Эта теория представляла собой синтез классического дарвинизма с взглядами генетиков 19201930-х годов на наследственность. "Синтетисты" считали, что наследственность по существу имеет случайный характер, но в ходе естественного отбора из массы элементарных случайных наследственных изменений (мутаций) методом проб и ошибок отбираются изменения, наиболее совершенные и лучше приспособленные к конкретным условиям среды обитания. В классической генетике на первых этапах ее развития основное внимание уделялось наследованию небольших морфологических признаков.
Со временем простые представления о вполне случайном характере элементарных наследственных вариаций изменились. Ведущая роль при этом принадлежала молекулярной генетике, становлению которой предшествовало появление концепции "один ген - один фермент" (Bedle, Tatum, 1941). Решающая победа молекулярной генетики связана с расшифровкой генетического кода, которая была отмечено в 1968 г. Нобелевской премией. По существу молекулярная генетика по сравнению с классической популяционной генетикой представляет новую науку (Ратнер, 2002). Генотипические изменения оказались во многом неслучайными. На начальных этапах эволюции первостепенное значение имел химический процесс самосборки генов (Спирин, 2003), а в последующем - также процесс
самоорганизации генов и их продуктов (Эйген, 1973). Примечательно, что при посредстве обратной транскриптазы в широком масштабе происходит встраивание в геном ретровирусов. Поразительны открытия гомеозисных генов и гомеобок-сов, играющих важную роль в формировании важнейших структур эмбриона, связанных с определением плана строения организма (Корочкин, 1999). На генетическом уровне встречаются и случайные нестатистические процессы, сходные с рассматриваемыми в теории физического хаоса (Davies, 1900). Подобные нестатистические случайные изменения встречаются и в геноме, и в эволюции (Кимура, 1985).
В результате представления о генетических процессах, рассматривавшихся в синтетической теории эволюции в годы ее расцвета в 1920-1950-х годах, так изменились, что теперь, по-моему, можно говорить о новом синтезе классического дарвинизма и молекулярной, а не популяционной, генетики. Прежняя синтетическая теория эволюции по существу описывала только микроэволюционные процессы и уровень ее компетенции исчерпывался уровнем видообразования. Молекулярная генетика рассматривает и макроэволюционные процессы (Корочкин, 1999), хотя в этих вопросах остается бездна неясностей.
Дискуссия о факторах эволюции продолжается, а в последнее время даже обостряется. Предметом больших разногласий является вопрос о факторах морфогенеза в эмбриональном развитии. В истории науки идеи преформизма и эпигенеза развивались со времени Аристотеля почти одновременно (Gould, 1977, 2002). Одним из первых и очень влия-
тельных эпигенетиков был сам Аристотель. В начале Нового времени в эмбриологии преобладал преформизм, исходивший из концепции последовательного новообразования структур взрослого организма, предварительно заложенных в яйцеклетке, но уже в XVII в. распространение получили идеи эпигенеза по Дигби (Бляхер, 1962). В формировании ранних эпигенетических концепций большую роль сыграли исследования У. Гарвея, К. Вольфа и особенно К. Бэра (Бэр, 1950; Ки11, 1998). Но становление молекулярной генетики привело одновременно к появлению как неопре-формистского, так и неоэпигенетического взглядов на эмбриогенез. Неопреформисты считают, что все закодировано в генотипе, тогда как нео-эпигенетики выдвигают на передний план взаимосвязи между частями организма, выступающими на всех стадиях его развития как единое целое.
Разногласия между неопреформистами и нео-эпигенетиками затрагивают и общее отношение к природе биологической эволюции. Этот вопрос оказался даже более трудным и неоднозначным, чем думали еще недавно. В эволюции жизни преформизм более характерен для начальных ее этапов, представленных вирусами и бактериями. У этих "праорганизмов" в эволюции преобладают генные изменения, ведущие к синтезу новых метаболитов - ферментов, витаминов, гормонов. Для вирусов и частью также для прокариот неопре-формистский подход более справедлив, чем неоэпигенетический.
У многоклеточных организмов в основном сохраняется обусловленный генами синтез метаболитов, но в онтогенез и в жизненный цикл в широком масштабе включаются морфогенетические процессы. Понимание морфогенеза невозможно без учета важнейшей роли эпигенетических процессов. Их роль выявляется во многом благодаря достижениям экспериментальной эмбриологии. Разногласия между неопреформистами и эпигене-тиками обострились потому, что на ранних этапах зарождения молекулярной генетики исследователи склонны были думать, что преобразованиями элементарных генов и связанных с ними ферментов можно объяснить все эволюционные процессы. В действительности же концепцию онтогенеза многоклеточных организмов следовало бы называть молекулярно-эпигенетической. Одноклеточные эвкариоты занимают промежуточное место между молекулярно-генетическими вирусами и бактериями и молекулярно-эпигенетическими многоклеточными.
Необычайные трудности переноса элементарных генных изменений на морфогенез обнаружились почти сразу. Это относится и к протистам, в отношении которых А.Н. Северцов (1939) говорил даже, что у них нет настоящего онтогенеза, а изменения в их жизненном цикле скорее могут быть уподоблены гистогенезу. Хотя А.Н. Северцов и
делал некоторое исключение для колониальных жгутиковых, в целом его взгляд об отсутствии онтогенеза у протистов является сильно упрощенным. На ошибочность этой точки зрения указывали A.A. Захваткин (1949) и Волперт (Wolpert, 1989).
Понятно, что именно многоклеточные организмы особенно трудны для выявления механизмов морфогенеза. Имеется огромная брешь между типичными генотипическими мутациями, связанными с преобразованиями ферментов и отдельных метаболитов, включая гормоны, и морфологическими изменениями в ходе онтогенеза, понимание которых необходимо для познания основных мак-роэволюционных процессов. Даже в сравнительно простых морфогенетических механизмах действия гормонов, таких, как тироксин и половые гормоны, по сей день остается много неясного.
Много нового в изучение процессов морфогенеза на молекулярном уровне внесло изучение го-меобоксных генов, открытых в 1984 г. Эти гены характеризуются наличием 180-нуклеотидной последовательности, гомеодомен которой предположительно определяет ДНК-связывающую активность белка. Но тонкие механизмы действия генов гомеобокса остаются неясными. У позвоночных гены гомеобокса, унаследованные от похожих на ланцетника предков, были дуплицированы. Это, по-видимому, сыграло большую роль в появлении новых генов, участвующих в контроле определения плана развития позвоночных (Холланд, Гарсия-Фернандес, 1996).
Показательны опыты с пересадкой гомолога дрозофильного гомеобоксного гена Pax-6 от мыши или кальмара к дрозофиле. Этот гомеобокс-ный ген у всех названных животных участвует в развитии глаз, хотя глаза приобретались этими животными независимо и они морфологически негомологичны. При пересадке гена Pax-6 от мыши или кальмара к дрозофиле у этого насекомого появляется дополнительный мозаичный глазок мушиного типа, функционирующий электрофизио-логически, но не связанный с мозгом и потому для дрозофилы бессмысленный (Gehring, 1998).
Несмотря на эти открытия, большей ясности в вопросах о молекулярно-генетической теории морфогенеза так и не удалось достигнуть. Это уже давно привело к известному возрождению современных эпигенетических концепций морфогенеза, которые, в отличие от прежних взглядов Гарвея -Вольфа, можно называть неоэпигенезом. Возрождение современной эпигенетики связано с именами И.И. Шмальгаузена (1942) и К. Уоддингтона (1947). Неоэпигенетики рассматривают морфогенез как системный фактор, в котором взаимодействуют не изолированные отдельные гены, а системы эмбриона, функционирующие как единое целое. Во взглядах на теорию онтогенеза
И.И. Шмальгаузен и К. Уоддингтон занимали более или менее сходные позиции, но я склонен особо выделить научное наследие И.И. Шмальгаузе-на, по праву считающегося одним из самых выдающихся эволюционистов своего времени. Отметим все же, что концепция формообразования под управлением организма, действующего как единое целое, выдвигалась и раньше (Вейа1аШу, 1928), хотя интимный механизм этой целостности остался непознанным.
Сторонники неоэпигенетических концепций склонны считать молекулярно-генетическое толкование онтогенеза явно редукционистским, заводящим в тупик все попы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.