Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Читать онлайн «Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции». Страница 121

Автор Евгений Кунин

Следующее примечание наверняка покажется многим читателям русского перевода этой книги примитивным. Однако оно написано для англоязычных читателей, многие из которых совсем или почти совсем не знакомы с этой трагической страницей истории.

Жестокая ирония ситуации состояла в том, что большевистские вожди Советского Союза горячо приветствовали Каммерера и едва не открыли ему в СССР лабораторию (S. Gliboff. Protoplasm… Is Soft Wax in Our Hands: Paul Kammerer and the Art of Biological Transformation. Endeavour 29 [2005]: 162–167). Несмотря на поразительные успехи русской генетики в 1920-х годах (вспомним имена Сергея Четверикова и Николая Вавилова), лидеры партии лелеяли идеи быстрого, планового и простого улучшения природы, в том числе и природы человека. Когда общая ситуация в стране стала тяготеть к массовому террору и голоду в 1930 году, подходящая команда была найдена под руководством агронома Трофима Лысенко. Лысенко и его подручные были вообще не учеными, а совершенно бесстыдными преступниками, использовавшими ненормальную ситуацию в стране, чтобы получить власть над советскими научными кругами и за их пределами (V. N. Soyfer. The Consequences of Political Dictatorship for Russian Science. Nature Reviews Genetics 2 [2001]: 723–729; V. N. Soyfer. Lysenko and the Tragedy of Soviet Science. New Brunswick, NJ: Rutgers University Press, 1994). Ламарковское наследование, которое лысенковцами, не без порочного хитроумия (с отчетливым оруэлловским оттенком), объявлялось «истинным дарвиновским» механизмом эволюции, было краеугольным камнем их «теории». Они довели идею Ламарка до гротескных крайностей, утверждая, например, что кукушки неоднократно возникали заново из яиц мелких птиц, и приводя это как пример особо примечательной адаптации. В последние годы, будучи уже отстранен от власти, Лысенко сохранил экспериментальную лабораторию, где он, как сообщается, кормил коров сливочным маслом и шоколадом в попытке вывести породы, стабильно дающие жирное молоко. Главным образом лысенковская «наука истинного дарвинизма» не была даже мошенничеством, поскольку ее адепты отнюдь не утруждали себя подделкой каких бы то ни было «экспериментов», а просто рассказывали свои идеологически вдохновленные сказки. Все это было бы смешно, если бы не тот факт, что многие несогласные заплатили буквально своей жизнью, и почти все исследования в области биологии в Советском Союзе были затруднены в течение десятилетий. Нет никаких оснований далее обсуждать здесь Лысенко; о лысенковщине было опубликовано несколько подробных работ (Zh. A. Medvedev. The Rise and Fall of T. D. Lysenko. New York: Columbia University Press, 1969; V. N. Soyfer. The Consequences of Political Dictatorship for Russian Science. Nature Reviews Genetics 2 [2001]: 723–729; V. N. Soyfer. Lysenko and the Tragedy of Soviet Science. New Brunswick, NJ: Rutgers University Press, 1994). Материалы печально известной сессии ВАСХНИЛ 1948 года, официально покончившей с генетикой, – документ одновременно потрясающе интересный и душераздирающий (О положении в биологической науке, стенограмма сессии VI. Всесоюзная академия сельскохозяйственных наук, 31 июля по 7 августа. М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948).

Как и почти любой запрет в биологии, центральная догма может оказаться не столь уж и незыблемой. Прямых путей передачи информации от белка к нуклеиновой кислоте, по-видимому, и правда нет, но способы обойти запрет могут существовать (Koonin EV. Does the central dogma still stand? Biol Direct. 2012 Aug 23;7:27). Мы еще вернемся к этой проблеме ниже.

История открытия cas-генов интересна и поучительна сама по себе, хоть и выходит за рамки основной темы этой книги. В нашем исследовании перекрывающихся цепочек генов в геномах прокариот, проделанном в 2002 году (см. гл. 5), группа cas-генов оказалась второй по величине связной геномной окрестностью после рибосомного супероперона (I. B. Rogozin, K. S. Makarova, J. Murvai, E. Czabarka, Y. I. Wolf, R. L. Tatusov, L. A. Szekely, and E. V. Koonin. Connected Gene Neighborhoods in Prokaryotic Genomes. Nucleic Acids Research 30 [2002]: 2,212—2,223). После тщательного анализа последовательностей Cas-белков мы предсказали, что эти белки представляют собой неизвестную ранее систему репарации ДНК (K. S. Makarova, L. Aravind, N. V. Grishin, I. B. Rogozin, and E. V. Koonin. A DNA Repair System Specific for Thermophilic Archaea and Bacteria Predicted by Genomic Context Analysis. Nucleic Acids Research 30 [2002]: 482–496). Такой прогноз, казалось, имеет смысл, если вспомнить различные роли нуклеаз, геликаз и полимераз в репарации. К сожалению, мы не исследовали соседних повторов. Только после независимого открытия фагоспецифичных спейсеров (A. Bolotin, B. Quinquis, A. Sorokin, and S. D. Ehrlich. Clustered Regularly Interspaced Short Palindrome Repeats (CRISPRs) Have Spacers of Extrachromosomal Origin. Microbiology 151 [2005]: 2,551—2,561; F. J. Mojica, C. Diez-Villasenor, J. Garcia-Martinez, and E. Soria. Intervening Sequences of Regularly Spaced Prokaryotic Repeats Derive from Foreign Genetic Elements. Journal of Molecular Evolution 60 [2005]: 174–182) все концы сошлись и появилась гипотеза о механизме антивирусного иммунитета, опосредованного CRISPR-Cas (K. S. Makarova, N. V. Grishin, S. A. Shabalina, Y. I. Wolf, and E. V. Koonin. A Putative RNA-Interference-Based Immune System in Prokaryotes: Computational Analysis of the Predicted Enzymatic Machinery, Functional Analogies with Eukaryotic RNAi, and Hypothetical Mechanisms of Action. Biology Direct 1 [2006]: 7). Впоследствии ее основные положения были подтверждены опытным путем (R. Barrangou, C. Fremaux, H. Deveau, M. Richards, P. Boyaval, S. Moineau, D. A. Romero, and P. Horvath. CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes. Science 315 [2007]: 1,709—1,712; F. V. Karginov and G. J. Hannon. The CRISPR System: Small RNA-Guided Defense in Bacteria and Archaea. Molecular Cell 37 [2010]: 7—19). Из этого следует извлечь важный (и, в ретроспективе, самоочевидный) урок о том, что при интерпретации наблюдений следует принимать во внимание как можно больше фактов. Примечательный последний поворот в этой истории состоит в том, что по крайней мере один из Cas-белков, Cas1, присутствующий во всех системах CRISPR, действительно, по-видимому, способствует не только вставке спейсеров в CRISPR-кассеты, но и участвует в некоторых типах репарации (M. Babu, N. Beloglazova, R. Flick, C. Graham, T. Skarina, B. Nocek, A. Gagarinova, O. Pogoutse, G. Brown, A. Binkowski, S. Phanse, A. Joachimiak, E. V. Koonin, A. Savchenko, A. Emili, J. Greenblatt, A. M. Edwards, and A. F. Yakunin. A Dual Function of the CRISPR-Cas System in Bacterial Antivirus Immunity and DNA Repair. Molecular Microbiology 79 [2011]: 484–502). В конце концов, оказывается, что первоначальный прогноз не был полностью ошибочным, хотя принципиальная новизна открытия и была упущена.

Системы CRISPR-Cas чрезвычайно разнообразны, в том числе и в том, что касается молекулярных механизмов активности; точная комлементарность спейсера и мишени важна лишь для некоторых из них, в то время как другие удовлетворяются частичной комплементарностью, как РНК у животных (Semenova E, Jore MM, Datsenko KA, Semenova A, Westra ER, Wanner B, van der Oost J, Brouns SJ, Severinov K. Interference by clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) RNA is governed by a seed sequence. Proc Natl Acad Sci USA. 2011 Jun 21;108(25):10098-103).

Последние исследования показывают, что дело обстоит сложнее: в механизме действия CRISPR-Cas-систем, наряду с ламарковской схемой, явно прослеживается и дарвиновский путь эволюции, включающий случайные изменения в геноме с последующей селекцией. Показано, что первоначально CRISPR-Cas-система интегрирует многочисленные фрагменты генома фага, но затем лишь очень небольшая доля исходных спейсеров фиксируется под действием отбора и обеспечивает устойчивость данному фагу (Paez-Espino D, Morovic W, Sun CL, Thomas BC, Ueda K, Stahl B, Barrangou R, Banfield JF. Strong bias in the bacterial CRISPR elements that confer immunity to phage. Nat Commun. 2013;4:1430).

Дальнейшее, еще более детальное изучение CRISPR-Cas-систем заставляет считать это объяснение весьма правдоподобным. Действительно, CRISPR-Cas локусы бактерий и архей включают токсин-антитоксинные элементы, которые, видимо, функционируют в тесном взаимодействии с собственно иммунным компонентом CRISPR-Cas (Makarova KS, Anantharaman V, Aravind L, Koonin EV. Live virus-free or die: coupling of antivirus immunity and programmed suicide or dormancy in prokaryotes. Biol Direct. 2012 Nov 14;7:40).

Интереснейшее явление капацитации, безусловно, еще недостаточно изучено, так что далеко идущие интерпретации экспериментов следует воспринимать максимально осторожно. Так, независимая серия экспериментов показывает, что эффект инактивации HSP90 обусловлен не демаскированием скрытой вариабельности, а активацией транспозонного мутагенеза (Specchia V, Piacentini L, Tritto P, Fanti L, D’Alessandro R, Palumbo G, Pimpinelli S, Bozzetti MP. Hsp90 prevents phenotypic variation by suppressing the mutagenic activity of transposons. Nature. 2010 Feb 4;463(7281):662-5). Примечательно, однако, что и в этих экспериментах HSP90 выступает как суппрессор вариабельности.

Прионы стали знамениты именно этим, когда было показано, что таинственные «вирусы» скрэйпи овец и коровьего бешенства, а также некоторых редких фатальных неврологических заболеваний у людей на самом деле представляют собой «инфекционные белки» (M. F. Tuite and T. R. Serio. The Prion Hypothesis: From Biological Anomaly to Basic Regulatory Mechanism. Nature Reviews Molecular Cell Biology 11 [2010]: 823–833). Выяснилось, что механизмы репликации прионов, лежащие в основе их инфекционности, включают в себя автокаталитическую пролиферацию белковых агрегатов (в 1997 году за это открытие Стенли Прузинеру была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине; S. B. Prusiner. Prions. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 95 [1998]: 13,363—13,383; G. Vogel. Prusiner Recognized for Once-Heretical Prion Theory. Science 278 [1997]: 214) и, как это обычно случается с поразительными открытиями в области биологии, хоть и новы и непредвиденны (хотя, в определенном смысле, Курт Воннегут и предсказал их в «Колыбели для кошки»), не нарушают центральную догму и принцип ПОР.