Еще раз о целенаправленных мутациях

В общественном сознании существует существует стойкое заблуждение, что мутации генома имеют только случайную природу.

Однако, это представление - не есть установленный факт. Это некий постулат классической генетики, которая предполагала наличие неких стабильных атомов наследственности - генов.

Современная молекулярная биология открыла совсем другую картину. Оказывается, что геном напичкан мобильными генетическими элементами (МГЭ). Длина МГЭ порядка 300 пар нуклеотидов. У человека в ДНК присутствует, по крайней мере, 500 тысяч МГЭ. По этим оценкам получается, что 150 млн. пар нуклеотидов в ДНК подвижны. Много это или мало? Всего в геноме человека насчитывают 3500 млн. пар нуклеотидов, 50% из которых составляют непонятные повторы. Таким образом, МГЭ занимают около 5% генома. Примерно столько же, сколько занимают места гены, отвечающие за всю работу нашей биологической машины. Интересно также, что примерно столько же места в нашей ДНК занимают интегрированные в нее куски РНК ретровирусов. Так что представляется удивительными не направленные мутации, а то, что при таком количестве подвижных и, на первый взгляд, ненужных частей, ДНК способна точно передавать признаки по наследству. 5% ДНК, в которой находятся гены, отвечающие за работу биологической машины, являются консервативной трудноизменяемой частью. Все остальное изменчиво и служит, по-видимому, целям приспособления организма к изменениям условий окружающей среды, в том числе, и в случае катастрофических изменений, когда возникает необходимость переконфигурации в консервативной части ДНК. Вместо атома наследственности, вместо застывшей ДНК возникает картина чего-то очень живого. Возникает образ живой ДНК. Как и все живое, эта живая ДНК может жить только в определенных условиях - внутри клетки (избегаю здесь излишней структурной внутриклеточной детализации).

Любые приспособления организма, в конечном счете, определяются изменением работы генома. Какие-то группы генов усиливают свою работу - экспрессируются, какие-то — подавляются с целью увеличения или уменьшения продукции необходимых белков-ферментов. Если воздействие окружающей среды не слишком сильно, и ресурсов генома хватает для адекватного на них реагирования, то необходимости в радикальном изменении консервативной части генома нет. Но картина меняется, когда это воздействие начинает превосходить допустимые границы. Геному приходится искать неординарный выход из положения. Происходит возбуждение генома - увеличивается подвижность МГЭ, возникает экспрессия групп генов, синтезируются многочисленные копии нужных генов, эти копии перестраиваются в нужном направлении и т.д. и т.п. Цена вопроса - жизнь или смерть. Поиски выхода не могут быть совершенно случайными. Процесс поиска выхода из трудного положения должен быть охвачен обратными связями, которые в многоклеточном организме  обеспечивает нервная система.  Если геном в своей перестройке движется в правильном направлении, то он должен получить об этом подкрепляющий сигнал. Как и сигнал о неправильном направлении движения. Если геном находит адекватный ответ на запредельный вызов, он стабилизируется в новом состоянии. Переход генома из старого в новое сотояние и есть целенаправленная мутация - новая группировка оснований в консервативной части ДНК. Может быть, точнее назвать такую мутацию направленной или адаптивной . Эта мутация происходит в консервативной части ДНК соматических клеток, ответственных за ответ на вызов и не затрагивает клеток половых. В половые клетки ее переносят эндогенные вирусы. Не зря же они занимают 4% нашего генома. Этот процесс затруднителен и поэтому не все приобретенные признаки наследуются. Можно предположить, что вирусная часть генома в условиях стресса тоже активизируется, что увеличивает вероятность переноса направленной мутации из соматических клеток в половые.

P.S. Представляется, что радиоактивность (космические быстрые протоны и вторичные нейтроны) могут быть еще одним фактором, облегчающим перенос генетического материала внутри организма. Частицы делают треки (дырки) в клеточных мембранах, что вызывает появление многоядерных клеток, гигантских ядер и гигантских клеток.

На эту тему есть диссертация Н.К.Белишевой "ЗНАЧЕНИЕ ВАРИАЦИЙ ГЕОКОСМИЧЕСКИХ АГЕНТОВ ДЛЯ СОСТОЯНИЯ БИОСИСТЕМ", Санкт-Петербург, 2005.

P.P.S. Через несколько месяцев после написания этой статьи я нашел работы генетиков В.А.Ратнера и Л.А.Васильевой, которые обо всем этом писали и 10 и 20 лет назад. В работе "Индукция транспозиций мобильных генетических элементов" Ратнер В.А., Васильева Л.А. http://www.evolbiol.ru/ratner2000.pdf

читаем, что изменение температуры вызвало, изменение структуры жилок на крыле дрозофилы и это изменение стало передаваться по наследству. Иными словами, изменение температуры быстро привело к появлению нового подвида дрозофилы. Причем, было установлено, что появление нового подвида было связано с активностью МГЭ. Авторы только слегка удивились и не более того и
ограничились весьма расплывчатыми формулировками :

"...участие МГЭ, как промежуточного фактора, порождает новый пласт наследственной изменчивости генома. Этот источник изменчивости может играть ключевую роль в стрессовых условиях существования популяций."

А, статья, в общем, великолепная. В ней рассказывается, что активность МГЭ повышается на один-два порядка величины при ответе на любой стресс, не только тепловой. Любое запредельное воздействие: химическое, биохимическое и радиационное вызывает возбуждение МГЭ и приводит к появлению устойчивых подвидов. К особенно сильному, на три четыре порядка величины, увеличению активности МГЭ приводит изогенезация генома - искусственная процедура, приводящая к тому, что практически весь геном становится гомозиготным.

Отдельное спасибо Авторам за то, что не лягнули Т.Д.Лысенко, который при помощи стрессовых воздействий получал новые полезные виды культурных растений.

P.P.P.S. Еще одна цитата из работ Ратнера и Васильевой:
"Еще раз подчеркнем, что сходство по признаку и по рисунку локализации МГЭ проявили линии, полученные принципиально разными путями: "селекционные" — путем длительного жесткого отбора по фенотипу, "температурные" — путем разовой температурной обработки в чувствительные периоды развития. Этот факт свидетельствует о том, что рисунок локализации МГЭ и экспрессия признака связаны между собой причинно (генотип — фенотип).

Убедимся, что с точки зрения популяционных механизмов — генетического дрейфа, накопления транспозиций и др. — ЭТА СВЯЗЬ НЕ СЛУЧАЙНА." (!!!!)
В.А. РАТНЕР, Л.А. ВАСИЛЬЕВА
"МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ (МГЭ) И ЭВОЛЮЦИЯ ГЕНОМОВ"
http://macroevolution.narod.ru/ratner1.htm

P.P.P.P.S. Генетическая и эпигенетическая информация, как установлено, передается от соматических клеток в половые при помощи экзосом (внеклеточных везикул). Экзосомы - небольшие (30 - 100 нанометров) частицы, выделяемые различными клетками во внеклеточную среду (см.http://elementy.ru/lib/432105). Экзосомы обладают мембраной, внутри которой содержатся мРНК, микроРНК, митоДНК и белки. Экзосомы переносят свое содержимое в другие клетки, в том числе и половые и, тем самым, переносят в них генетическую и эпигенетическую информацию.

Таким образом,так называемый, барьер Вейсмана, на самом деле, не существует, на что и указывал в свое время формальным генетикам академик Т.Д.Лысенко.

МикроРНК
"МикроРНК – это эндогенные, короткие до 22 нуклеотидов РНК, которые регулируют экспрессию генов на транскрипционном и трансляционном уровнях. Они составляют большое семейство генных регуляторов, контролирующие практически все функции клеток в норме и патологии.
 
Функции микроРНК
1. МикроРНК являются незаменимыми образованиями для клеток, т.к. они являются регуляторами многих биологических процессов, таких как, например, развитие и клеточная дифферециация. Животные, у которых не образуются микроРНК, или погибают, или не дают потомства (Klosterman WP and Plasterk RH, 2006).
2. МикроРНК обязательно участвуют в возникновении определенного клеточного и тканевого фенотипов как в норме, так и в патологии (Jeyaseelan R., et al, 2007).
3. Идентифицированы органные и клеточно-специфические микроРНК.
4. МикроРНК широко распространены в организме эукариот и у некоторых вирусов. Они регулируют экспрессию более 30% генов, кодирующих информацию о структуре белков, что делает их одними из наиболее важных генных регуляторов.
5. Роль микроРНК заключается не только в определении судьбы клеток и тканей, но и в дифференциации и поддержании тканевой специфичности."
http://www.myshared.ru/slide/472046/ 

Следует также упомянуть об альтернативном сплайсинге. Представления классической генетики о том , что один ген является документацией для производства одного белка остались в глубоком прошлом. Из одного гена при помощи нарезки преРНК, удаления интронов и сшивания остатков преРНК различными способами получаются несколько, а иногда огромное множество (до 38000 у дрозофилы) зрелых РНК для производства различных белков. Иными словами эволюция часто идет не по пути усложнения ДНК, а по пути усложнения механизмов интерпретации исходного генетического кода при помощи эпигенетических механизмов.