Век генетики: эволюция идей и понятий - [68]

5.1.3. Дискуссия об адаптивных или отбор-зависимых мутациях

Уже упоминалось, что С. Лурия и М. Дельбрюку "повезло", что они работали с нелизогенным фагом Т1, который во всех случаях не оставляет бактерии выбора: либо выжить, либо умереть. Все или ничего. Но это счастливое везение оказалось и слабостью. Ибо в условиях, близких к паранекротическим, например, при метаболическом голоде, когда есть возможность выживания, характер возникновения мутаций оказался иной.

В 1988 г. в журнале "Nature" была опубликована статья Дж. Кэйрнса с соавт. о возникновении отбор-зависимых "направленных мутаций" у бактерии Е. coli (Cairns, Overbaugh, Miller, 1988; Cairns, 1988). Брали бактерии, несущие мутации в гене lacZ лактозного оперона, неспособные расщеплять дисахарид лактозу. Но эти мутанты могли делиться на среде с глюкозой, откуда их через 1–2 дня роста переносили на селективную среду, где был только один источник углеводов — лактоза. Отобрав сперва lac-плюс реверсов, которые, как и ожидалось, возникли еще в ходе "глюкозных" делений, нерастущие клетки оставляли в условиях углеводного голодания. Сначала мутанты отмирали. Но спустя неделю и более наблюдался новый рост за счет вспышки реверсий именно в гене lacZ. Как будто клетки в условиях жесткого стресса не делясь(!), вели генетический поиск и адаптивно меняли свой геном.

Вслед за тем появилась серия работ Барри Холла (Hall, 1990, 1992) на другой генетической системе. Бактерии, мутантные по гену утилизации триптофана, помещались на среду, лишенную триптофана, и оценивалась частота реверсий к норме. Частота реверсий повышалась именно в условиях триптофанового голодания, т. е. когда реверсии были адаптивными, нежели при выращивании бактерий на полной среде, когда реверсии были нейтральны. Не сами условия голодания были причиной этого феномена, ибо на среде с голоданием по цистеину частота реверсий к trp⁺ не отличалась от нормы.

В следующей серии опытов Б. Холл взял уже двойных ауксотрофных по триптофану мутантов, несущих одновременно мутации в генах trpA и trpB, и вновь поместил бактерии на среду, лишенную триптофана. Выжить могли только особи, у которых одновременно возникли реверсии в двух триптофановых генах. И такие особи возникали с частотой в 100 миллионов раз выше, чем ожидалось при простом вероятностном совпадении мутаций в двух генах. Б. Холл предпочел называть этот феномен не "направленные", но "адаптивные мутации". Затем он показал, что адаптивные мутации возникают и у дрожжей, т. е. у эукариот (Hall, 1990; 1991; 1992).

Появились и другие подобные публикации, проанализированные в обзорных статьях (Foster, 1993; Lenski, Mittler, 1993). В случае гистидинового голодания возникновение мутации к his⁺ оценивалось четырьмя разными методами и было показано, что именно фактор гистидинового голодания вызывает адаптивные мутации. Причем, такие же реверсии у гистидинового локуса, расположенного на плазмиде, происходили гораздо чаще (Гизатулин, Лезин, Бабынин, 1995). Другой важный факт состоит в том, что в случае дефекта в генах, контролирующих гомологичную рекомбинацию (recА, recВ), или контролирующих перенос плазмид при конъюгации бактерий, феномен адаптивных мутаций не наблюдался.

Появление статей Дж. Кэйрнса и Б. Холла немедленно вызвало бурную дискуссию. И первый резко критический отклик был от молекулярного генетика Ф. Шталя с характерным названием "Единорог в саду" (Stahl, 1988). Метафорический намек на воскрешение старых мифов об адаптивности наследственных изменений. Другие мнения участников дискуссии в следующих номерах "Nature" не были столь категоричными. После публикаций Б. Холла, подтвердивших данные Дж. Кэйрнса, Ф. Шталь вскоре значительно смягчил свою позицию, опубликовав вторую заметку "Ревизия единорога" (Stahl, 1992), где, признавал достоверность фактов, но предложил свою гипотезу, не выходящую за привычные рамки.

Определенным итогом первого раунда дискуссии можно считать появление на авансцене дебатов одного из ведущих исследователей в области подвижной генетики Джеймса Шапиро с продолжением метафоры о единороге: "Адаптивные мутации: кто же действительно находится в саду" (Shapiro J., 1995). Дж. Шапиро кратко обсудил две основных идеи. Во-первых, клетка содержит биохимические комплексы или системы "естественной генетической инженерии", которые способны реконструировать геном. Активность этих комплексов, как и любая клеточная функция, может резко меняться в зависимости от физиологии клетки.

Примером зависимости работы генетических систем от цитофизиологии может служить не только система SOS-репарации, но и ответ клеток на тепловой шок. В последнем случае цитофизиологи установили многоступенчатую систему адаптивного ответа, которая включает 1) прямое увеличение клеточной термостабильности (приобретенная толерантность) и 2) изменение белкового синтеза за счет включения белков теплового шока, или стрессовых белков (Александров, 1985; Alexandrov, 1994).

Далее, замечает Дж. Шапиро, мутабильность, или оценка частоты возникновения наследственных изменений всегда оценивается не для одной клетки, а для клеточной популяции. А в клеточной популяции клетки могут обмениваться между собой наследственной информацией. Возможен межклеточный горизонтальный перенос с помощью вирусов или передачи сегментов ДНК, и этот перенос усиливается в стрессовых условиях. Подобная идея уже высказывалась в книге В. А. Кордюма (1982).