Основы генетики развития. Гомеозисные мутации.

Первые идеи о механизме наследственности высказали ещё древнегреческие учёные – Демокрит, Гиппократ, Платон, Аристотель. Гиппократ полагал, что яйцеклетки и сперма формируются при участии всех частей организма и что признаки родителей непосредственно передаются потомкам. Эту гипотезу в целом принял Аристотель, взгляды которого по разным вопросам философии и естествознания господствовали на протяжении всего средневекового периода в Европе. Автор первой научной теории эволюции Ж.Б.Ламарк также воспользовался идеями древнегреческих учёных для объяснения постулированного им на рубеже XVIII-XIX вв. принципа передачи приобретённых в течение жизни индивидума новых признаков потомству.

В 80-х годах прошлого века теорию пангенезиса и саму идею о наследовании благоприобретённых признаков резкой критике подверг А.Вейсман (1834-1914). Вейсман принял и развил идею, согласно которой наследственный материал сосредоточен в ядерной субстанции клеток или в хромосомах. Если учесть, что о поведении хромосом в митозе и мейозе к концу XIX в. было уже довольно много известно, то не удивительно, что теория Вейсмана о зародышевой плазме во многом подготовила биологов к необходимости коренного пересмотра взглядов на наследственность сразу после вторичного открытия законов Менделя.

Годом рождения генетики считается 1900-й; она ровесница XX в. Известно, что становлению генетики как самостоятельной области биологии предшествовало необычное в истории науки событие. Фактически основные законы генетики были открыты в 1865 г. Г.Менделем. Однако, на протяжении последующих 35 лет они остались неизвестными большинству биологов, в том числе и Дарвину. Вместе с тем у Менделя были предшественники-экспериментаторы. В их числе О.Сажрэ, И.Г.Кельрейтер, Т.Э.Найт, Ш.Ноден, Дж. Госс. Они наблюдали и факты доминирования, и расщепление признаков родителей в потомстве, но их опыты не отличались той глубокой продуманностью и целенаправленностью, которые были характерны для исследований Менделя, в них отсутствовал строгий количественный учёт результатов.

Вторичное открытие законов Менделя принадлежит трём учёным – Г. де Фризу (Голландия), К.Корренсу (Германия), Э.Чермаку (Австрия). Практически они одновременно получили факты, полностью подтверждающие закономерности наследования признаков, открытые Менделем на горохе. Приоритет Менделя вскоре был восстановлен, и последующее десятилетие в истории генетики с полным правом может быть охарактеризовано как период торжества менделизма. Название новой науки – генетика – было предложено в 1906 г. английским учёным В.Бэтсоном (от латинского genetikos – относящийся к происхождению, рождению). Датчанин В.Иоганнсен в 1909 г. утвердил в биологической литературе такие принципиально важные понятия, как ген (от греческого genos – род, рождение, происхождение), генотип, фенотип. На этом этапе истории генетики была принята и получила дальнейшее развитие менделевская, по существу умозрительная, концепция гена как материальной единицы наследственности, ответственной за передачу отдельных признаков в ряду поколений организмов. Тогда же голландский учёный Г. де Фриз (1901) выдвинул теорию изменчивости, основанную на представлении о скачкообразности изменений наследственных свойств в результате мутаций.

Этот этап (с 1900 г. ~ до 1912 г.) – период триумфального шествия менделизма, утверждения открытых Менделем законов наследственности гибридологическими опытами, проведенными в разных странах на высших растениях и животных (лабораторных грызунах, курах, бабочках и др.), в результате чего выяснилось, что законы эти имеют универсальный характер. В течение немногих лет генетика оформилась как самостоятельная биологическая дисциплина и получила широкое признание.

Главной отличительной чертой второго этапа истории генетики (~ 1912 до 1925 г.) было создание и утверждение хромосомной теории наследственности. Ведущую роль в этом сыграли экспериментальные работы американского генетика Т.Моргана (1861-1945) и трёх его учеников – А.Стертеванта, К.Бриджеса, Г.Меллера, проведённые на плодовой мушке дрозофиле, которая благодаря ряду своих свойств (удобству содержания в лаборатории, быстроте размножения, высокой плодовитости, малому числу хромосом) стала с тех пор излюбленным объектом генетических исследований. Блестящие работы Моргана, подтверждённые затем в других лабораториях и на других объектах, показали, что наследственные задатки – гены – лежат в хромосомах клетки ядра и что передача наследственных признаков определяется судьбой хромосом при созревании половых клеток при оплодотворении. Вывод этот подтверждался двумя методами – гибридологическим и цитологическим, дававшими согласные взаимно подтверждающие результаты. Генетические работы школы Моргана показали возможность строить карты хромосом с указанием точного расположения там разных генов (первую карту составил в 1913 г. Стертевант для одной из хромосом дрозофилы). На основе хромосомной теории наследственности был выяснен и доказан хромосомный механизм определения пола – главные заслуги в этом принадлежали Моргану и американскому цитологу Э.Вильсону. Не только всё дальнейшее развитие генетики проходило в свете этой теории, но она оказала глубокое влияние на другие биологические дисциплины – цитологию, эмбриологию, биохимию, эволюционное учение, а позже послужила одной из главных предпосылок зарождения и становления современной молекулярной биологии.

Третий этап истории генетики (~ 1925 – 1940 г.) ознаменован в первую очередь открытием возможности искусственно вызвать мутации. До тех пор существовала ошибочная концепция, что мутации возникают в организме самопроизвольно, под влиянием каких-то чисто внутренних причин.

Первые данные о том, что мутации можно вызвать искусственно были получены в 1925 г. в СССР Г.А.Надсоном и Г.С.Филипповым в опытах по облучению дрожжей радием, а решающие доказательства возможности экспериментального получения мутаций дали в 1927 г. опыты Г.Меллера (1890-1967 гг.) по воздействию на дрозофилу рентгеновских лучей. Работа Меллера вызвала огромное число экспериментальных исследований, проводившихся на разных объектах и быстро показавших, что ионизирующие излучения обладают универсальным мутагенным действием. Затем было обнаружено, что ультрафиолетовые лучи тоже могут вызывать мутации и что этой способностью, хотя и в слабой степени, обладает высокая температура. Вскоре появились сведения о том, что мутации можно вызвать химическими веществами.

Наиболее характерными чертами четвёртого этапа истории генетики (1940-1955) было развитие работ по генетике физиологических и биохимических признаков и вовлечение в круг генетического эксперимента микроорганизмов и вирусов, что повысило разрешающую способность генетического анализа. Изучение биохимических процессов, лежащих в основе формирования наследственных признаков разных организмов, пролило свет на то, как действуют гены и, в частности, привело к важному обобщению, сделанному американскими генетиками Дж. Бидлом и Э.Тэтумом, согласно которого всякий ген определяет синтез в организме одного фермента (эта формула: «один ген – один фермент» впоследствии: «один ген – один белок»).

Очень большое значение имело выяснение в 1944 г. американского генетика О.Эвери с сотрудниками природы генетической трансформации у бактерий. Исключительное значение для развития молекулярной биологии и генетики имела расшифровка строения молекулы ДНК Дж.Уотсоном и Ф.Криком на основе её химических и рентгеноструктурных исследований. Предложенная ими модель двойной спирали ДНК объяснила такие фундаментальные свойства генетического материала, как способность к репликации, мутированию, кодированию наследственной информации.

Большие успехи были достигнуты в генетических и цитологических исследованиях различных наследственных болезней человека, сложилось и окрепло новое направление медицинской генетики, ставящее основной целью профилактику наследственных дефектов человека. Получили развитие работы по генетике природных популяций, особенно интенсивно они проводились в СССР Н.П.Дубининым и С.М.Гершензоном, в США Ф.Добржанским с сотрудниками.

В эти же годы появились первые высокопродуктивные сорта культурных растений, созданные на основе мутаций, были широко внедрены в сельскохозяйственную практику генетические методы, использования гибридной мощности, особенно у кукурузы и шелкопряда.

Однако в конце 40-х годов в Советском Союзе получили широкое распространение взгляды Т.Д.Лысенко, нацело отрицающие законы Менделя, хромосомную теорию наследственности, учение о мутациях, а также ряд основных положений дарвинизма. Генетические исследования в СССР оказались заторможенными, прекратилась подготовка кадров, не издавалась литература по генетике. Возрождение генетики в СССР началось только в конце 1950-х годов, когда советская биология освободилась от господства неверных воззрений Лысенко.

Для последнего современного этапа истории генетики, начавшегося приблизительно в середине 1950-х г., наиболее характерно исследование генетических явлений на молекулярном уровне благодаря внедрению в генетику новых химических, физических, математических подходов и методов, совершенных приборов и сложных реактивов.

В результате беспрецедентно быстрого прогресса в области молекулярной биологии и молекулярной генетики, появления в последнее десятилетие принципиально новых методов манипулирования с генетическим материалом, положивших начало генетической инженерии, был полностью раскрыт генетический код (в этой расшифровке большую роль сыграли работы Крика и его сотрудников в Англии, С.Очоа и М.Ниренберга в Америке), удалось выделить отдельные гены и установить их нуклеиновую последовательность, понять тонкое строение генов различных про – эукариотов, изучить принципы регуляции генной активности. В 1969 г. в США Г.Корана с сотрудниками синтезировали химическим путём вне организма первый простой по своей структуре ген (один из генов дрожжей), а в начале 1970-х годов в ряде американских лабораторий, а затем в лабораториях других стран, в том числе в СССР, иным способом – с помощью особых ферментов – были синтезированы вне организма много гораздо более крупных и сложноустроенных генов про- и эукариотов.

Благодаря совершенствованию методов переноса генов между разными организмами и их экспрессии в новых хозяевах закладываются основы для получения новых сортов растений, пород животных, генотерапии наследственных заболеваний у человека. Современная генетика не только ставит и решает фундаментальные проблемы организации живой материи; её методы активно используют в осуществлении продовольственной, экологической, космической и иных глобальных программ человека.

Гомеозисные мутации

Действие генов теснейшим образом связано с онтогенезом, и эта их связь выявляется при возникновении мутаций, которые резко прерывают развитие организма. Существуют, однако, мутации другого класса, которые изменяют процесс онтогенеза, но не прерывают его. Это гомеозисные мутации. На важную роль и теоретическое значение этого рода изменения развития впервые указал Уильям Бэтсон (William Beateson) в своей книге «Материалы к изучению изменчивости», опубликованной в 1894 г. Его соображения при создании термина «гомеозис» и определение этого термина все еще сохраняют силу и привлекают внимание к наиболее существенным чертам этой концепции.

«Превращение антенны насекомого в ногу, глаза ракообразного – в антенну, лепестка – в тычинку и тому подобное – все это примеры одного рода. Желательно и даже необходимо, чтобы такие изменения, состоящие в том, что один из членов ряда меристических структур принимает форму или приобретает признаки, свойственные другим членам ряда, были выделены в особую группу явлений… Поэтому я предлагаю… термин гомеозис,…, поскольку главное здесь не в том, что произошло некое изменение, а в том, что одно, изменившись, приобрело сходство с чем-то другим».

Затем Бэтсон переходит к перечислению примеров гомеозисных изменений у столь различных организмов, как млекопитающие и кольчатые черви. Если говорить о млекопитающих, то описано, например, несколько редких особей вымерших неполнозубых, у которых в крестцовом отделе позвоночника обнаружены позвонки, похожие на грудные. Гораздо чаще, однако, гомеозисные изменения встречаются у членистоногих – животных, целиком построенных из ряда метамерных сегментов; а из членистоногих больше всего сведений о типах и механизмах гомеозиса получено на насекомых. Остатки некоторых из древнейших вымерших насекомых найдены в слоях, относящихся к каменноугольному периоду. У этих насекомых, как и у современных крылатых насекомых, было четыре крыла, сходные по морфологии с крыльями ныне живущих видов. В отличие от современных насекомых у них была, кроме того, пара крыловидных придатков, или паранотальных лопастей, отходящих от спинки первого грудного сегмента. Эти лопасти считались возможным свидетельством того, что крылья возникли как выступающие наружу складки интегумента. Они могли первоначально служить органами, помогающими насекомому планировать. Примитивные признаки – расположение крыльев на втором и третьем грудных сегментах и наличие паранотальных лопастей – у современных насекомых отсутствуют. Однако они могут возникать в результате гомеозисной мутации у таракана Blattella germanica. Росс (Ross) описал у этого примитивного насекомого наследственную мутацию Prowings, вызывающую развитие крылоподобных придатков на спинке переднегруди. Сходное гомеозисное изменение описал Гершкович (Herskowitz) у Drosophila melanogaster. Другая сцепленная с полом рецессивная мутация labiopedia описана у хрущака Tribolium confusum. У особей, гомо- или гемизиготных по этой мутации, лабиальные щупики превращаются в грудные ноги. Такое превращение наблюдается как на личиночной, так и на взрослой стадии). При этом происходит полная перестройка, вплоть до развития мускулатуры, обычно имеющейся у ног. Однако эти мышцы, очевидно, лишены иннервации, так как лабиальные ноги неподвижны. Более резко выраженные трансформации наблюдаются у тутового шелкопряда Bombyx mori (чешуекрылые). У этого насекомого имеется комплекс мутаций, известных под названием серии E-аллелей (Extra legs). Его гусеница обладает очень своеобразной морфологией: за темно окрашенной головой с находящимися на ней глазами следуют три грудных сегмента, несущие членистые ножки. На спинной стороне второго грудного сегмента имеется темное глазчатое пятно. Брюшко состоит из восьми сегментов, за которыми следует концевой хвостовой сегмент. Брюшные сегменты 3–6 и хвостовой сегмент снабжены мясистыми ходильными ножками. На спинной поверхности второго брюшного сегмента имеется пигментное пятно в форме полумесяца, а на спинной поверхности пятого – пятно в форме звезды. Доминантные мутантные аллели Е-серии вызывают перемещение этих пятен на другие сегменты. Так, у особей, гетерозиготных по мутации EEl (Extra Crescents and legs), голова и грудь такие же, как у дикого типа, но в отличие от последних на первом и втором брюшном сегментах у них имеются ходильные ножки, а на третьем грудном и первом брюшном – пигментные пятна в форме полумесяца. Мутация EN (Extra legs – New additional crescent) вызывает появление полумесяца на третьем и звезд – на шестом, седьмом и восьмом брюшных сегментах; на пятом брюшном сегменте звезда исчезает. Эти модификации можно объяснить как результаты изменения индивидуальностей (специфических особенностей) брюшных и грудных сегментов (как на спинной, так и на брюшной их сторонах). В наиболее резкой форме эти изменения проявляются у гомозигот по упомянутому выше аллелю EN. Такой генотип детален и приводит к гибели у личинок ранних личиночных возрастов.

Репарация.

Репарация генетическая — процесс устранения генетических повреждений и восстановления наследственного аппарата, протекающий в клетках живых организмов под действием специальных ферментов. Способность клеток к репарации генетических повреждений впервые была обнаружена в 1949 году американским генетиком А.Кельнером. В дальнейшем были исследованы многообразные механизмы удаления поврежденных участков наследственного материала, обнаружено, что реперация генетическая присуща всем живым организмам. По-видимому, способность к репарации генетической повреждений появилась на ранних этапах развития жизни на Земле и совершенствовалась по мере эволюции живых существ: ферменты репарации имеются у древнейших представителей растительного и животного мира. К настоящему времени обнаружено большое количество специализированных репарирующих ферментов, а также гены (см. Ген), контролирующие их синтез в клетках. Доказано, что изменения в этих генах повышают чувствительность организма к неблагоприятным и повреждающим факторам, способствуют возрастанию наследственных изменений — мутаций (см. Мутагенез), возникновению болезней и преждевременному старению. Установлено, что некоторые наследственные болезни человека развиваются в связи с нарушениями синтеза репарирующих ферментов. Детально изучены две формы репапрации генетической — фотореактивация и темновая репарация.

Фотореактивация, или световое восстановление, была обнаружена в 1949 г. А. Кельнер, изучая биологическое действие радиации в экспериментах на микроскопичских грибах и бактериях, обнаружил, что клетки, подвергшиеся одинаковой дозе ультрафиолетового облучения, выживают значительно лучше, если после облучения в темноте их поместить в условия обычного естественного освещения. Исходя из этого, было высказано предположение, что на свету происходит устранение части поврелсдений генетических структур клеток, возникающих под действием ультрафиолетового облучения.

Понадобилось почти два десятилетия, чтобы расшифровать открытый А. Кельнером эффект фотореактивации. Оказалось, что ультрафиолетовое облучение обладает способностью нарушать структуру молекул дезоксирибонуклеиновой кислотыты (сокращенно ДНК — см. Нуклеиновые кислоты), несущих генетическую информацию. Молекула ДНК содержит четыре типа так называемых азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин — и состоит из двух нитей, закрученных в спираль. Нередко в одной нити одинаковые основания располагаются рядом. Под действием ультрафиолетового облучения в части азотистых оснований разрываются химические связи и, если это происходит, например, в расположенных рядом тиминовых основаниях, то они соединяются друг с другом, образуя так называемый димер тимина. Димеры тимина резко нарушают структуру двойной спирали ДНК, в результате чего изменяется смысл генетической записи, что приводит либо к наследственным дефектам, передающимся в дальнейшем потомкам, либо к гибели клетки. Для «лечения», устранения этих повреждений в некоторых клетках имеются специальные ферменты, названные фотореактивирующими. Эти ферменты способны «узнавать» в ДНК поврежденные ультрафиолетовым облучением участки, присоединяться к ним и разрушать возникшие между двумя тиминами связи, восстанавливая исходную (нормальную) структуру ДНК. Однако «лечебный эффект» фотореактивирующих ферментов — расщепление сцепленных участков молекулы ДНК и восстановление ее исходной нормальной структуры — проявляется только при участии световой энергии. Тогда отсюдова, свет играет в этих процессах роль активирующего фактора, запускающего реакцию фотореактивации. До сих пор это остается единственным примером биохимических реакций, в которых активатором выступает световая энергия.

Первоначально способность к фотореактивации была обнаружена у микроорганизмов, в дальнейшем фотореактивирующие ферменты были найдены в клетках некоторых рыб, птиц, амфибии, насекомых, высших растений и водорослей. Длительное время этот вид репарации не удавалось обнаружить у млекопитающих и человека. Только в 1969 году было доказано, что способностью к фотореактивации обладают клетки сумчатых животных. Объясняли этот факт особенностями биологии этих древнейших обитателей Земли: полагали, что наличие фотореактивирующего фермента у сумчатых животных имеет исключительную важность, так как только у них (среди других млекопитающих) зародыш подвергается действию солнечного света (в том числе и ультрафиолетового облучения) в процессе переноса его в сумку матери. Исследования последних лет указывают на возможность наличия фотореактивирующего фермента в клетках кожи человека; может быть, поэтому массивное ультрафиолетовое облучение, например при загаре, не вызывает повреждений генетического аппарата человека.

Темновая репарация, в отличие от фотореактивации, универсальна. Она устраняет различные структурные повреждения ДНК, появляющиеся в результате разнообразных радиационных и химических воздействий. Способность к темновой репарации обнаружена у всех клеточных систем и организмов. Способность клеток микроорганизмов восстанавливать генетические повреждения в темноте была обнаружена в 1955 году, но детали этого процесса стали выясняться только начиная с 1964 года. Оказалось, что механизмы темновой репарации принципиально отличны от механизма фотореактивации. Первое отличие заключается в том, что если во время реакции на свету фотореактивирующий фермент расщепляет сцепленные ультрафиолетовым облучением участки молекулы ДНК, то в ходе темновой репарации поврежденные участки удаляются из молекулы ДНК. Второе отличие связано с числом «вылечиваемых» повреждений. Фотореактивирующий фермент активен в отношении только одного типа повреждений ДНК — образования димеров тимина под действием ультрафиолетового облучения. Ферменты же, осуществляющие темновую репарацию, способны устранять различные структурные нарушения ДНК, появляющиеся вследствие всевозможных воздействий на клетки — и химических, и радиационных. В результате темновой репарации осуществляется своеобразное молекулярное «хирургическое» вмешательство: поврежденные участки «вырезаются», а образовавшиеся «бреши» заполняются путем локального (местного) синтеза или обмена участками между поврежденной и неповрежденной нитями ДНК, в результате чего и восстанавливается ее исходная нормальная структура. Темновая репарация осуществляется под контролем большого числа ферментов, каждый из которых отвечает за определенный этап этого сложного процесса. Детально изучены два типа темновой репарации — эксцизионная и пострепликативная. При эксцизионной репарации поврежденный участок ДНК вырезается и замещается до начала очередного цикла размножения клетки, точнее до начала удвоения (репликации) молекул ДНК. Биологический смысл этого процесса состоит в том, чтобы предупредить закрепление у потомства наследственных изменений (мутаций) и последующее размножение измененных форм. Эксцизионная репарация — наиболее экономичная и эффективная форма репарации генетической. установлено, что при ее нормальном функционировании у микроорганизмов до начала репликации ДНК удаляется до 90% имеющихся генетических повреждений, из клеток высших организмов — до 70%. Эксцизионная репарация осуществляется в несколько этапов.

Сначала специальный фермент «надрезает» одну из нитей ДНК, вблизи от поврежденного участка, затем поврежденный участок удаляется полностью, а образовавшуюся «брешь» заполняют специальные ферменты (ДНК-поли-меразы), которые поставляют недостающие звенья, заимствуя их из неповрежденной нити. Способность к эксцизионной репарации установлена у клеток микроорганизмов, высших растений и животных, а также у человека.

Пострепликативная репарация — последняя возможность для клетки устранить имеющиеся генетические повреждения, защитить потомство от изменения наследственных признаков. Если в ДНК возникает так много повреждений, что в ходе эксцизионной репарации клетка не успевает их полностью устранить, или если повреждены гены, определяющие возможность эксцизионной репарации, то в процессе размножения (удвоения, репликации) ДНК в дочерних нитях на месте повреждений, имеющихся в материнской нити,образуются «бреши». Это происходит в силу того, что фермент, ведущий репликацию ДНК (синтез дочерней нити на материнской нити ДНК), не может «прочесть» искаженную информацию в поврежденной точке материнской нити. Поэтому, доходя до поврежденного места, оставшегося неисправленным во время эксцизионной репарации, этот фермент останавливается, затем медленно (со скоростью в сотни раз меньшей, чем обычно) проходит через зону повреждения и возобновляет нормальный синтез дочерней нити, отступя от этого места. Так происходит во всех точках, где материнская нить ДНК остается поврежденной к началу репликации. Конечно, если число повреждений слишком велико, репликация останавливается полностью и клетка погибает. Но и существовать с молекулами ДНК, несущими бреши, клетка долго не может. Поэтому после репликации, но перед делением клетки начинается процесс пострепликативной репарации. Перед делением клетки в ней образуются две двунитевые молекулы ДНК. Если одна из них несет в какой-либо точке повреждение в одной нити и брешь в противоположной нити, то в другой двунитевой молекуле ДНК обе нити в данной точке будут нормальными. В этом случае может произойти обмен участками ДНК — рекомбинация (см. Ген, обмен генами): неповрежденный участок будет вырезан из нормальной молекулы ДНК и вставлен на место поврежденного участка в другой молекуле, благодаря чему поврежденный генетический материал будет заменен нормальным. Вслед за этим спец. ферменты (ДНК-полимеразы) заделают «бреши» (теперь они смогут это сделать, т. к. в обеих молекулах в данном месте повреждения будут отсутствовать), вновь синтезированные и старые нити будут соединены друг с другом, и исходная структура ДНК будет в результате этого полностью восстановлена. В соответствии с природой процесса, связанного с осуществлением рекомбинации, этот тип пострепликативной репарации называют также рекомбинационным.

По-видимому, изложенный механизм — не единственный путь восстановления нормальной структуры ДНК после ее удвоения (репликации). Во всяком случае известен механизм, при котором в бреши вставляются звенья, не соответствующие исходной структуре репарируемой ДНК, т. е. возникают мутации. Не исключено, что это происходит в тех случаях, когда клетка по тем или иным причинам не может репарировать свою ДНК ни одним из описанных выше способов и ей остается последний шанс — или выжить ценой появления мутаций, или погибнуть. Пока еще недостаточно изучено взаимодействие различных систем репарации, регуляция их активности в клетке и точное время работы. Обнаружено, что в некоторых случаях в клетке происходит координированное действие ферментов эксцизионной и постреплика-тивной репарации. Например, если две нити ДНК соединяются между собой (сшиваются), что происходит при действии многих ядов (например, отравляющего вещества иприта), то сначала реакцию репарации начинает фермент эксцизионной репарации, надрезающий одну нить ДНК, а затем в действие вступают ферменты пострепликативной репарации, завершающие процесс.

Системы ферментов пострепликативной репарации обнаружены в клетках человека. Пока еще не выяснено окончательно, каковы точные ферментативные механизмы, обеспечивающие этот вид репарации в клетках человека, однако известно, что рекомбинация и случайное заполнение брешей с возникновением мутаций могут осуществляться в клетках человека. Не ясна также относительная эффективность известных процессов репарации генетической. Установлено, например, что облученные ультрафиолетовым светом клетки кишечной палочки, при условии нормального функционирования системы эксцизионной репарации, способны удалять из ДНК до 1000 повреждений. При появлении в ДНК большего числа повреждений клетка погибает. Если же система эксцизионной репарации выведена из строя, то за счет пострепликативной репарации может быть удалено лишь около 100 повреждений. Если же обе системы репарации отсутствуют, клетка погибает от единственного повреждения, возникающего в ДНК.

Репарация и мутации. После, в первых исследованиях репарации генетической была установлена тесная связь между устранением поврежденных участков и уменьшением частоты мутаций. Позже было доказано, что нарушения в активности ферментов репарации приводят к резкому возрастанию числа мутаций. Вместе с тем в настоящее время установлено, что мутации могут появляться и в ходе самих процессов репарации генетической из-за «ошибок» в работе репарирующих ферментов. Хотя наибольшее признание получила гипотеза о том, что репарационные процессы осуществляются преимущественно безошибочно и только та реакция пострепликативной репарации, в ходе которой в бреши застраиваются случайные основания, вызывает мутации, накапливается все большее число экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что даже относительно малое число ошибок репарации приводит к появлению значительного числа мутаций, выявляемых как в нормальных (естественных) условиях, так и в случае воздействия на клетки повреждающих факторов.

Репарация на разных этапах индивидуального развития организмов. Способность к осуществлению того или иного вида репараций генетических может изменяться на разных этапах развития организмов. Исследования показывают, что максимальная эффективность всех процессов репарации у млекопитающих (включая человека) проявляется в момент эмбрионального (внутриутробного) развития и на начальных этапах роста организма. Например,длительное время не удавалось найти реакцию эксцизионной репарации у грызунов (хомячок, крыса, мышь и другие) и лишь недавно было обнаружено, что этот вид репарации имеет место на эмбриональной стадии развития и прекращается на более поздних стадиях. Нередко осуществляется только в делящихся клетках, например в формирующихся нервных клетках зародыша. Если создать условия, при которых деление этих клеток подавлено, то устраняется и репарация однонитевых разрывов ДНК, вызванных, например, рентгеновским облучением.

Нарушения репарации и болезни человека. В 1968 г. английским ученым Д. Кливером было доказано, что наследственная болезнь человека — пигментная ксеродермия, признаками которой являются покраснение, образование наростов, нередко со злокачественным перерождением участков кожи на месте облучения солнечным светом, а также нарушения зрения, нервной системы и другие, обусловлена дефектом в активности ферментов эксцизионной репарации. В дальнейшем было установлено, что еще некоторые наследственные болезни человека обусловлены нарушениями процессов репарации генетической. К числу этих заболеваний относится синдром Хатчинсона, при котором развивается карликовость, преждевременное старение и прогрессирующее слабоумие. Повреждением генов, кодирующих ферменты репарации, обусловлено возникновение ряда форм такой относительно распространенной болезни, как системная красная волчанка и другие.

Изучение молекулярной природы этих заболеваний дает основание надеяться на относительно быструю разработку методов их лечения. Успехи в этом направлении зависят как от исследования деталей процессов репарации генетической и изучения возможности выделения из нормальных организмов (в особенности микробов) активно работающих ферментов с последующим введением их в организм больного, так и от методов замещения больных генов здоровыми (смотреть Инженерия генетическая). Если второй путь пока остается только в области гипотез, то в первом направлении начата экспериментальная работа. Так, японские исследователи К. Танака, М. Бекгучи и И. Окада в конце 1975 г. сообщили об успешном использовании одного из репарирующих ферментов, выделенных из клеток бактерий, зараженных бактериальным вирусом, для устранения дефекта в клетках, взятых от больного, страдающего пигментной ксеродермией. Для того чтобы этот фермент мог успешно проникнуть в клетки человека, культивировавшиеся в искусственных условиях, был использован убитый вирус Сендай. Однако до настоящего времени подобные работы не удается проводить на организме человека. Другое направление связано с разработкой способов ранней диагностики болезней, обусловленных дефектами репарирующих ферментов.

 

Основы иммуногенетики.

Иммунология как наука

Иммунология изучает нормальные структуры и функции иммунологической системы в норме, иммунопатология исследует нарушение структур и функций иммунологической системы.

Существует несколько определений иммунологии. Одно из первых определений: “Иммунология - учение о структуре и функциях иммунологической системы”. В настоящее время наиболее близким является определение: “Иммунология - наука об иммунитете, изучающая молекулярные и клеточные механизмы реагирования организма на генетически чужеродные субстанции, именуемые антигенами”.

Задачами иммунологии в современных условиях являются:

1. Разработка средств и методов диагностики и специфической защиты человека и животных от инфекционных болезней.

2. Изыскание путей стимуляции иммунитета против синтетических антигенов, сконструированных методами биотехнологии, а также против искусственных и природных токсинов и аллергенов.

3. Изыскание путей оценки состояния иммунной системы, методов и средств поддержания ее нормального функционирования у человека и животных.

4. Разработка средств и методов стимуляции иммунного ответа на определенные антигены.

5. Изучение болезней иммунной системы, а также разработка методов иммунокоррекции с помощью иммуномодуляторов различного происхождения.

6. Изучение трансплантационного иммунитета, разработка средств диагностики и профилактики онкологических заболеваний.

7. Предупреждение и лечение аллергий.

Теории иммунитета

Развитие иммунологии занимает исторический промежуток свыше 100 лет. За это время в иммунологии был выдвинут целый ряд теорий, которые дополняли друг друга и развивались.

Первая теория иммунитета - теория «боковых цепей» - была создана П. Эрлихом в 1885 г. и сейчас в основном имеет историческое значение, так как в ней автор фактически выразил идею селекционирующей роли антигена. Сущность теории заключается в том, что попавший в организм антиген вступает в прочную специфическую связь с боковыми цепями (рецепторами) протоплазмы, вследствие чего рецепторы нейтрализуются. Токсическое действие антигенов осуществляется путем аналогичного связывания с рецепторами. Нейтрализованные рецепторы заменяются другими, которые продуцируются в большом количестве. Образовавшиеся в избытке специфически связывающие антигены рецепторы отделяются от поверхности клеток, выполняя функции свободных антител в плазме крови. П. Эрлих различал рецепторы 1-го, 2-го и 3-го порядка.

Рецепторы 1-го порядка имеют простое строение. К ним относятся антитоксины. Гаптофорная группа рецепторов реагирует с гаптофорной группой молекулы токсина.

Рецепторы 2-го порядка представлены преципитинами, агглютининами, у которых наряду с гаптофорной группой имеется зимофорная, действующая подобно ферменту. С ее помощью происходит расщепление связанных антигенов.

К рецепторам 3-го порядка относятся гемолизины, бактериолизины и цитолизины, с помощью которых антиген связывается с комплементом (амборецептором).

Теория П. Эрлиха господствовала в учении об иммунитете на протяжении многих десятилетий, однако в значительной степени утратила значение в свете новых данных.

В 1926 г. Морганом была выдвинута теория «бусин на нити», в которой он сделал предположение о линейном расположении генов в хромосоме при синтезе белков и иммуноглобулинов в виде нити жемчуга.