Наследственности и изменчивости (генетический аппарат)
Переход от «преджизни» к жизни связывают с появлением наследственности (см. п. 1.4.4.1). Есть неопровержимые доказательства непротиворечивости наследственности и изменчивости как фундаментальных свойств живых форм. В перечне всеобщих, обусловленных структурой эволюционного процесса, уровней организации земной жизни (см. п. 1.6) молекулярногенетический уровень занимает первую строку. Элементарной структурой на этом уровне является ген, определяемый как фрагмент молекулы ДНК, несущий определенный объем биологически целесообразной (полезной для жизнедеятельности, репродукции и индивидуального развития) генетической информации. Элементарное явление на этом уровне состоит в конвариантной редупликации ДНК, т. е. в самоудвоении молекул нуклеиновой кислоты путем самокопирования с некоторым количеством ошибок. Такого рода ошибки (генные, истинные мутации) сохраняются в ряду поколений клеток и особей. Кроме генных мутаций, имеются также хромосомные и геномные мутации, к которым, однако, неприложимо определение «истинные». Различия состоят в том, что генные мутации способны производить принципиально новую биологическую информацию, тогда как хромосомные и геномные мутации заключаются либо в изменении количества (дозы) уже имеющейся информации, либо в появлении ее новых комбинаций. Вне явлений наследственности и изменчивости, обусловливающих в своем взаимодействии консерватизм и динамичность структур и функций в мире жизни, реальность появления и сохранения во времени новых адаптаций (приспособлений) и, следовательно, процесс биологической эволюции, невозможны.
Жизнь существует на планете более 3,5 млрд лет, что связано с особенностями ее временной организации в виде сменяющих друг друга поколений. Происходит смена органелл (например, митохондрий) в клетках, поколений клеток в многоклеточном организме, смена поколений организмов в популяциях, смена видов в биоценозе, смена биоценозов, образующих биосферу. Сохранение живых форм в меняющихся условиях окружающего мира возможно благодаря их эволюции, в ходе которой у них появляются и закрепляются в потомстве свойства, дающие возможность приспособиться к новой среде обитания. В основе эволюции, в свою очередь, лежит способность живых систем разного уровня к самовоспроизведению с изменениями. Такое самовоспроизведение обеспечено наличием в мире жизни двух универсальных свойств - наследственности и изменчивости.
Свойства наследственности и изменчивости традиционно рассматривают в связи с клеткой или организмом. На клеточном и организменном (онтогенетическом) уровнях организации живого (см. п. 1.6) под наследственностью понимают свойство соответственно клеток или организмов в процессе самовоспроизведения передавать новому поколению способность к определенному типу обмена веществ и развития. В ходе развития у потомства формируются общие признаки данного типа клеток или вида организмов, проявляются некоторые индивидуальные особенности родительских форм. На популяционно-видовом уровне организации жизни свойство наследственности состоит в поддержании во времени постоянного состава и соотношения генетических форм или гено(аллело)типов в ряду поколений организмов данной популяции (вида). На биоценотическом уровне длительное существование биоценоза обеспечено сохранением определенных соотношений популяций (видов) организмов. Это предполагает воспроизводство во времени совокупности популяций (видов), присущих конкретному биоценозу, без изменения их гено(аллело) фондов.
В процессе исторического развития жизни (эволюции) наследственность, используя механизм репродукции, обеспечивает тиражирование и закрепляет в ряду поколений биологически полезные приобретения (консерватизм), что делает ее обязательным фактором эволюции.
Сохранение живых форм во времени на фоне меняющихся условий (в частности, абиотических - смена на планете восстановительной атмосферы на окислительную порядка 1,9 млрд лет назад, перемещение участков земной коры, континентов и субконтинентов со сменой на обширных территориях климата, покровные оледенения и межледниковые периоды) было бы невозможным при отсутствии наработки новой биологической информации. В результате появления новой биоинформации возникают отсутствовавшие ранее структурнофункциональные фенотипические признаки и их комплексы, которые оказываются биологически полезными в новых условиях среды.
Свойство живых форм приобретать наследуемые изменения, и, комбинируя их в потомстве в различных сочетаниях, существовать в разных фенотипических вариантах, что обусловливает их эволюционную и экологическую пластичность, называется изменчивостью. Биологическая изменчивость как предпосылка создания, накопления и использования новой биоинформации лежит в основе способности живых форм выживать во времени, несмотря на смену параметров среды (эволюционная пластичность) или в один и тот же исторический период заселять территории, различающиеся по комплексу жизненно важных условий (экологическая пластичность).
У клеток определенного цитофенотипа и организмов определенного вида изменчивость, затрагивая процесс развития (гистогенез для клеток, эмбриогенез для организмов c половым размножением), проявляется в наличии различий между разными клетками одного цитофенотипа (цитотипа) и особями одного вида. На популяционно-видовом уровне организации жизни это свойство проявляется в генетическом разнообразии популяций вида. На биоценотическом уровне появление новых видов и популяций вносит изменения в межвидовые отношения в биоценозах. Изменчивость обусловливает появление и использование новой биологической информации (динамизм), что создает почву для функционирования механизма естественного отбора. Это делает изменчивость, наряду с наследственностью, обязательным фактором эволюции.
4.1.1. Формы биологической изменчивости
С одной стороны, обязательная характеристика живых форм состоит в наличии у них генотипа и фенотипа (см. п. 1.3), с другой - биоинформация, связанная с генами (сайтами, нуклеотидными последовательностями ДНК) напрямую, не принимая участия в процессах жизнедеятельности и развития непосредственно, является в функционально-генетическом плане фактически «потенциальной», тогда как актуализированная (действующая) биоинформация связана с белками и, следовательно, фенотипическими признаками и свойствами клеток и организмов (см. п. 2.4.5.4). Это порождает проблемы, во-первых, реализации генотипической биоинформации в фенотипическую биоинформацию (см. п. 2.4.5.4; 2.4.5.5 и 2.4.5.6) и, во-вторых, выделения разных форм биологической изменчивости.
Биологическую изменчивость подразделяют на генотипическую и фенотипическую. Генотипическая изменчивость распространяется на генетический аппарат - структурные (смысловые, кодирующие, транскрибируемые, транслируемые) гены или сайты (нуклеотидные последовательности) ДНК с иными функциями, хромосомы, геном, генотип, кариотип. Генотипическая изменчивость подразделяется на мутационную и комбинативную. Мутационная генотипическая изменчивость реализуется по уровням структурно-функциональной организации генетического аппарата (см. п. 4.3). Соответствующие изменения носят название мутаций, которые бывают генными, хромосомными и геномными. Примеры мутаций разного уровня приведены ниже (генные - см. п. 4.3.1.3; хромосомные - см. п. 4.3.2.2; геномные - см. п. 4.3.3.1). Отметим еще раз, что только с генными мутациями связано появление новой, ранее не существовавшей в природе биоинформации. Хромосомные и геномные мутации в функционально-генетическом отношении сводятся либо к изменению количества биоинформации (делеции, дупликации участков хромосом, гаплоидные, полиплоидные или анэуплоидные клетки и организмы), либо к перекомбинации блоков биоинформации разного объема (транслокации, транспозиции, инверсии, инсерции).
Современная (молекулярная) генетика расширяет область знаний, касающихся форм биологической изменчивости. В частности, в дополнение к генным, хромосомным и геномным мутациям классической генетики, возникающим скачкообразно (сальтаторно) и поэтому удовлетворяющим принципу «все или ничего» (мутация либо происходит, либо нет), описаны «динамические» мутации - экспансия тринуклеотидных повторов (см. п. 4.3.1.3).
Биоинформационное обеспечение функций митохондрий клеток имеет свои особенности. Речь идет, в частности, о взаимодействии генов митохондриальной и ядерной локализации. Такие взаимодействия необходимо учитывать, поскольку их наличие вносит дополнения в представления о полном объеме генотипических (мутационных) изменений, случающихся в эукариотических клетках. В сферу интересов современной медицинской генетики прочно вошли митохондриальные болезни, причиной которых могут быть в том числе изменения генов, приводящие к нарушению механизмов взаимодействия ядерного и митохондриального геномов (межгеномные сигнальные эффекты, см. п. 4.3.1.3).
Относительно недавно в профессиональном словаре генетиков и эмбриологов появился термин - геномный импринтинг (от англ. imprint - отпечаток), или геномная память. Суть явления заключается в том, что оба родителя передают потомству в принципе одинаковые гены, например, занимающие гомологичные локусы в паре гомологичных аутосом, но эти гены несут отпечаток пола родителя, давшего через свою гамету в зиготу хромосому с импринтированным сайтом. Импринтированными могут быть как отдельные сайт или хромосома, так и геном в целом (отцовский или материнский, но не оба одновременно). Импринтированная генетическая структура (сайт, хромосома, геном) выключается из функции. Так как импринтинг предположительно связывают с метилированием ДНК, его рассматривают как фактор эпигенетической регуляции генетической активности (конкретно подавление этой активности). Последнее не позволяет считать случаи проявления геномной памяти мутациями. Тем не менее рассматриваемый феномен характеризуется отчетливыми фенотипическими изменениями, в том числе патологическими - болезни импринтинга (у человека более 30). При вовлечении у людей в импринтинг целиком генома развиваются истинный пузырный занос (диандрогенные особи - оба генома диплоидных клеток, начиная с зиготы, отцовские) и тератомы (дигиногенные особи - оба генома материнские). В обоих случаях зародыш нежизнеспособен, что заставляет исключить для людей возможность партеногенетического развития (т. е. без оплодотворения яйцеклетки спермием).
Импринтирование критического участка хромосомы 15 (q11.2-q13) дает либо синдром Ангельмана (Энжельмена) - отцовская однородительская дисомия, либо синдром Прадера- Вилли - материнская однородительская дисомия по указанному участку. В первом случае импринтирован соответствующий сайт материнской хромосомы 15 и, таким образом, генетически активен отцовский, во втором - наоборот.
Феномен комбинативной генотипической изменчивости состоит в образовании различных сочетаний (комбинаций) структур генетического аппарата по уровням его организации - генов (аллелей или аллельных генов), хромосом или их участков, геномов. В функциональногенетическом плане каждое такое сочетание - уникальный по биоинформационному содержанию комплекс. Типичный пример - половое размножение. В гаметогенезе в профазе первого деления мейоза путем рекомбинации (кроссинговер) меняется генный (аллельный) состав гомологичных хромосом. В анафазе этого же деления благодаря независимому расхождению к полюсам клетки негомологичных хромосом отцовского и материнского происхождения в хромосомных наборах дочерних клеток объединяются разные по происхождению и, следовательно, аллельному составу хромосомы, причем от клетки к клетке (фактически от гаметы к гамете) в несовпадающем числовом отношении. При оплодотворении в зиготе на случайной основе комбинируются геномы яйцеклетки и спермия.
Область выражения фенотипической изменчивости, как это следует из названия, - фенотип. Некоторые признаки характеризуются вариабильностью (изменчивостью), в основе которой лежат не генотипические изменения на уровне генов, хромосом или генома, а влияния на фенотипические проявления генов факторов среды, прежде всего внешней (3-го порядка, см. п. 4.3.1.1). Такие ненаследственные изменения, отвечающие понятию фенотипической изменчивости, называются модификациями. Классические примеры модификаций - разная в зависимости от температуры окружающей среды окраска шерсти на различных участках тела у кроликов горностаевой породы (рис. 4.1) и разная форма воздушных, плавающих и подводных листьев растения стрелолиста. Соответственно, говорят о модификационной фенотипической изменчивости. Биологи-эволюционисты подчеркивают роль этой формы биологической изменчивости в процессе видообразования, видя в ней фактор высокой экологической, а также эволюционной пластичности определенных видов животных и растений. С наличием в природе модификаций связывают колебания степени выраженности признаков, описываемые в генетике понятиями экспрессивности и пенетрантности (см. п. 4.3.1.1).
Феномен модификационной изменчивости, вариабильность степени выраженности признаков в зависимости от условий среды, создает проблему отношений между геном и соответствующим ему признаком, генотипом и фенотипом. В связи с названной проблемой необходимо остановиться на генетическом понятии «норма реакции». По существу речь идет о характере (норме) реакции конкретного гена или генотипа в целом на определенные условия среды 1-го, 2-го, 3-го порядка (см. п. 4.3.1.1), в которых они реально функционируют. Известны гены с узкой и гены с широкой нормой реакции. Первые дают неизменный фенотипический результат в широком спектре условий, тогда как вторые отличаются значительной вариабельностью фенотипического результата их генетической активности. Так, гены, определяющие принадлежность человека к группе крови систем АВ0 или резус (Rh), характеризуются узкой нормой реакции. Гены, контролирующие окраску шерсти кроликов горностаевой породы (см. рис. 4.1), - широкой. Даже в отношении генов с узкой нормой реакции существует возможность, пусть редко реализующаяся, возникновения условий, изменяющих фенотипический результат их генетической активности или блокирующих эту активность. В качестве примера приведем известный еще классической генетике «бомбейский феномен». Речь идет о рождении женщиной с группой крови I (I0I0) ребенка с группой крови IV (IAIB). Очевидно наличие в генотипе матери аллелей IA , IB или обеих одновременно, которые у нее фенотипически не проявились. Объяснение кроется в особенностях генотипической среды женщины, в явлении рецессивного эпистаза - одной из форм взаимодействия неаллельных генов (см. п. 4.3.3.1).
Рис. 4.1. Изменения пигментации шерстного покрова в зависимости от температуры у кроликов горностаевой породы: а - кролик, выращенный при температуре 14-18 °С; б - кролик, выращенный с рождения при температуре более 30 °С; в - кролик с удаленным на спине участком шерсти и помещенным на этом месте пузырем со льдом; г - тот же кролик после того, как на участке с удаленной шерстью и пузырем со льдом шерсть отросла
Наряду с модификационной, выделяют случайную фенотипическую изменчивость - костную мозоль на месте сросшегося перелома. О непрерывной фенотипической изменчивости говорят тогда, когда распределение особей с разной степенью выраженности признака соответствует нормальному. Такое наблюдается, в частности, при полимерном типе полигенного наследования (см. табл. 4.3) количественных признаков, например, роста у людей.