ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 4, с. 397-408
УДК 575.1
ОТ ХРОМОСОМНОЙ ТЕОРИИ К МАТРИЧНОМУ ПРИНЦИПУ
© 2015 г. С. Г. Инге-Вечтомов
Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра генетики и биотехнологии,
Санкт-Петербург 199034 e-mail: ingevechtomov@gmail.com Санкт-Петербургский Филиал института общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук, Санкт-Петербург 199034 Поступила в редакцию 15.10.2014 г.
Матричный принцип, сложившийся на базе хромосомной теории наследственности, претендующий на роль универсальной парадигмы современной биологии, рассматривает с единых позиций механизмы наследования и различных типов изменчивости. Матричные процессы I рода (МП I) оперируют с линейными матрицами — ДНК, РНК. МП II оперируют с пространственными, или конформационными, матрицами белковой природы. МП II основаны на изменении и воспроизведении пространственной структуры белков и не затрагивают их первичную структуру. Они вовлечены во многие патологические и адаптивные процессы в живых системах. Универсальные свойства МП I: неоднозначность и репарация (коррекция) характерны для всех трех стадий каждого матричного процесса — инициации, элонгации, терминации. Они характерны и для МП II. Неоднозначность и коррекция на стадиях инициации и терминации МП суть предпосылки их регуляции, изменение которой лежит в основе усложнения и прогрессивной эволюции живых систем.
DOI: 10.7868/S0016675815040074
В 2014 г. исполнилось 100 лет хромосомной теории [1], за разработку которой Т.Х. Морган в 1933 г. был удостоен Нобелевской премии. Самодовлеющая методология генетического анализа, введенная Морганом и его школой, стала основой развития фундаментальной и прикладной генетики в первой половине ХХ в. и подготовила революцию в понимании генетической дискретности, в разработке теории гена еще до доказательства генетической роли нуклеиновых кислот.
"Материализация" гена Менделя—Иоганнсе-на—Моргана сопровождалась рядом продуктивных кризисов и завершилась доказательством его сложной структуры и роли нуклеиновых кислот в наследственности [2, 3]. Тем самым сформировалась новая, казалось бы всеобъемлющая, парадигма молекулярной генетики, охватившая область как ядерной, так и неядерной наследственности. Утвердились представления об универсальных свойствах генетического материала: относительной стабильности, линейности, дискретности и непрерывности, что соответствовало концепции: "ДНК (РНК) как генетический материал".
МАТРИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Фундаментом развития генетики стали представления о значении матричных процессов в воспроизведении генетического материала и экспрессии генетической информации. Прежде всего, это — формула Н.К. Кольцова "Omnis molécula
ex molécula", постулировавшая матричное воспроизведение хромосом [4], но исходившая в то время из представлений об их белковой природе.
Выяснение механизмов реализации генетической информации в процессе синтеза белка и расшифровка генетического кода привели к современному пониманию структуры и функции гена, к пониманию значения матричных процессов. В неявной форме это выразил Ф. Крик в своей триаде: ДНК-РНК-Белок [5] и совершенно сознательно акцентировал Г. Понтекорво, открывая в 1963 г. симпозиум "От менделевских факторов к генетическому коду". Понтекорво подчеркнул, что генетические процессы в первую очередь связаны с матричными (а не ступенчатыми) процессами в клетке [6]. В 1970 г. Центральная Догма молекулярной биологии Ф. Крика приобрела распространенную теперь форму треугольника [7] (рис. 1), описывающего разрешенные (стрелки) пути переноса генетической информации в клетке. В этой схеме сплошные линии соответствуют регулярным процессам, а пунктирные — процессам, происходящим в исключительных случаях, как это представляли в то время. Круговые стрелки означают репликацию. Словесное описание всех этих процессов вращалось вокруг термина "информация", что породило в дальнейшем многочисленные дополнения, исправления и возражения, поскольку понятие "информация" требует аккуратной трактовки. В действительности, если вникать в смысл рассуждений Ф. Крика, речь
Репликация
ч
Белок
Рис. 1. Центральная Догма молекулярной биологии как отражение матричного принципа (по: [5, 7]). Пояснения — в тексте.
шла именно о матричных процессах: репликации (включая т.н. обратную транскрипцию), собственно транскрипции и трансляции (синтезе белка). В такой интерпретации к Центральной Догме нет возражений или исправлений. Возможны развивающие ее дополнения, отнюдь не опровергающие ее сущности, о чем и пойдет речь в этой статье.
ЗНАЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МУТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА
Важная роль в утверждении и детализации матричного принципа принадлежала исследованию мутационного процесса, в особенности — индуцированного мутагенеза. Благодаря работам Г. Мёллера [8] с использованием рентгеновых лучей, исследованиям Н.В. Тимофеева-Ресовского (К. Циммера и М. Дельбрюка) [9] формировались представления о природе мутаций на базе принципа попадания (мишени). В начале 30-х гг. В.В.Сахаров [10], а затем М.Е. Лобашев и А.Ф. Смирнов [11, 12] открыли химический мутагенез у дрозофилы. Описание химического мутагенеза М.Н. Мейселем на микробах [13] осталось незамеченным.
Следует особо подчеркнуть фундаментальный вклад М.Е. Лобашева (рис. 2), разработавшего в 30-40-е годы физиологическую гипотезу мутационного процесса [14, 15]. Самое важное в этой концепции было то, что впервые были поставлены рядом понятия "мутация" и "репарация", а также введено представление о пред-мутационных, или потенциальных, повреждениях генети-
Рис. 2. Михаил Ефимович Лобашев (1907-1971).
ческого материала. В наши дни их принято называть первичными повреждениями, или модификациями структуры генетического материала. Такие модификации могут быть бесследно удалены в процессе репарации или превратиться в мутации. Они, как мы теперь понимаем, могут привести и к другим наследуемым изменениям (кроссинговер, транспозиции, негомологичная рекомбинация). Следует упомянуть, что физиологическую гипотезу мутационного процесса М.Е. Лобашев разрабатывал, исходя из представлений о белковой природе генетического материала. Тем не менее в ее основу легли такие универсальные для биологических макромолекул процессы, как денатурация и репарация, и потому эта концепция оказалась применимой и к ДНК.
РЕПАРАЦИЯ, ИЛИ ЧТО ЕСТЬ ИСТИНА?
Идея (принцип) конвариантной редупликации Н.В. Тимофеева-Ресовского, предложенная в начале 30-х гг. ХХ в. (цит по: [16]), дополненная представлениями М.Е. Лобашева о первичных (потенциальных) повреждениях, устраняемых репарацией [14, 15], или коррекцией, первоначально предложенной для репликации, оказалась справедливой для всех трех матричных процессов.
ОТ хромосомной теории к матричному принципу
399
A+, B+, C+ Pols — Replie. complexes
I Base substitution error rates | A-, B-, C- Pols, RT-
X- Pols
Y- Pols
10-
10-
10-
10-
10-
10-
10-
10-
A+, B+, C+ Pols
A-, B-, C- Pols, RT-
X- Pols
Y- Pols
1
Single base deletion error rates
Рис. 3. Точность ДНК-полимераз, принадлежащих различным семействам. (Схема предоставлена проф. Ю.И. Павловым.)
Прежде всего уточним понятия. Мутации или предшествующие им первичные повреждения часто называют ошибками репликации или ошибками репарации. Правильнее говорить о неоднозначности репликации (как и любого матричного процесса), когда одному кодирующему символу матрицы могут соответствовать с той или иной частотой (вероятностью) несколько вариантов дочернего полимера. Мы часто вынуждены говорить о точности матричных синтезов, но понятие "ошибка" лучше не употреблять, поскольку речь идет о событиях, которые реализуются в закономерных процессах эволюции, т.е. обеспечивают наиболее характерную черту живых систем!
Понятие репарация (коррекция) тоже требует пояснений. Коррекция означает восстановление нативной Уотсон—Криковской структуры, т.е. устранение ее модификаций. Простейшим примером соотношения неоднозначности и репарации может служить работа ДНК-полимеразы I Escherihia coli. Этот фермент обладает реплика-тивной активностью в направлении 5'—3' и корректирующей активностью в противоположном направлении 3'—5' [17]. Мутанты с ослабленной корректирующей функцией являются мутатора-ми, а с ослабленной репликативной функцией обладают антимутаторными свойствами.
В клетке ситуация гораздо сложнее. Известно множество ДНК-полимераз (рис. 3) (уверен, что это список не окончательный), проявляющих различный уровень неоднозначности, характеризуемый частотой возникновения мутаций. Существует множество систем репарации, устраняющих различные предшествующие мутациям первичные повреждения [18], которые могут возникать непосредственно как результат спонтанной или индуцированной неоднозначности репликации, а могут
переходить друг в друга в процессе репарации (рис. 4). Нельзя говорить о "репарации мутаций" (как пишут даже в некоторых учебниках), поскольку результат репарации — это восстановление нативной структуры ДНК, в которой может быть исходная или мутантная последовательность нук-леотидов.
Итак, соотношение (баланс) неоднозначности и репарации (коррекции) лежит в основе изменчивости на уровне репликации. Как мы увидим далее, это утверждение справедливо и для других матричных процессов: транскрипции и трансляции.
НЕОДНОЗНАЧНОСТЬ И КОРРЕКЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ
Доказательство неоднозначности транскрипции берет начало в экспериментах С. Чеймпа и С. Бензера [19] по фенотипической супрессии мутаций rII фага Т4 под действием 5-фторураци-ла. С тех пор регулярно появляются данные о т.н. транскрипционном мутагенезе, как спонтанном, так и индуцированном. В основе этих явлений может лежать и собственно неоднозначность транскрипции [20], и подстановка "неправильных" рибонуклеотидов при транскрипции не ре-парированной матрицы ДНК (см., например, [21]), а также явления редактирования РНК (RNA editing) (см., например, [22, 23]), когда в ней происходят замены или удаление оснований уже после транскрипции.
Истинная неоднозначность и коррекция (proofreading) транскрипции последнее время привлекает все большее внимание, но ис
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.