Р.Нудельман

"Молекулярный механизм эволюции"

(конспект)

Открытие, о котором я хочу рассказать, стало достоянием научной общественности, когда в журнале "Nature" была опубликована статья под названием "HSP-90 как пособник морфологической эволюции". Непосвященным людям это название, конечно, не говорит ничего, но специалисты тотчас распознали под этой сугубо академической шапкой сенсационное содержание. Впрочем, точнее всего сформулировали сущность нового открытия сами его авторы - американские исследовательницы Сюзанна Резерфорд и Сюзэн Лундквист, которые открыли раздел "Обсуждение результатов" знаменательной фразой: "Мы впервые, насколько нам известно, нашли свидетельства существования специального молекулярного механизма, который способствует процессу эволюционных изменений в ответ на изменения окружающих условий". Еще более просто то же самое было сказано в комментарии британской радиостанции "Би-би-си": "Открыт молекулярный механизм эволюции!"

Даже самый беглый взгляд на эволюцию биологических видов убеждает в том, что она ускоряется в условиях стресса, то есть ситуации, возникающей в результате резкого и неблагоприятного изменения внешних условий. Это хорошо известно, например, по отношению к бактериям. Попадая в ситуацию физиологического стресса, вызванную, например, голоданием или появлением в окружающей среде антибиотиков, они очень быстро отвечают на эту угрозу появлением множества новых мутантных разновидностей, среди которых обнаруживаются особи, успешно выживающие в новых условиях... Трудно представить себе, что именно в этих условиях мутации, которые и ведут в конечном счете к появлению новых разновидностей бактерий, почему-то резко учащаются, ведь мутации - явления случайные, не приурочены же они именно к нужному моменту! Но еще труднее представить, что бактерии каким-то чудом "целенаправленно отвечают" на возникшую потребность приспособиться и выжить. Несомненно, должен существовать какой-то скрытый молекулярный механизм, который сам собою включается в условиях стресса, и - что увеличивает частоту мутаций? Каким образом? Загадка.

РРР: а почему, собственно, трудно представить реакцию бактерий на изменение воздействия со стороны внешней среды ускорением процесса мутаций?.. Это – вполне закономерный признак гибкости реагирования, присущий живой природе в целом...

 

Сегодня многие палеоантропологи считают, что аналогичным образом произошел один из важнейших этапов в эволюции дальних предшественников человека - от так называемых австралопитеков к собственно гоминидам. Те из австралопитеков, которые от чисто растительного рациона перешли к мясной пище, должны были выходить из лесов в открытые африканские саванны, чтобы найти себе там такую пищу... и в ходе таких поисков порой забредали в изолированные от окружающего мира долины или ущелья. Там, оказавшись в трудных условиях, угрожавших их выживанию, они, по мнению палеоантропологов, эволюционировали (адаптировались) быстрее, чем те группы австралопитеков, которые оставались в привычных условиях леса и не нуждались в такой адаптации.

 

Знаменитый "Кембрийский взрыв" свидетельствует, что подобные явления могут происходить и в более громадных масштабах. Напомним, что "Кембрийским взрывом" называется в биологии краткий (около миллиона лет) период быстрого (в геологических масштабах времени, разумеется) появления огромного числа новых биологических видов, отличавшихся радикально измененными телесными формами и структурами, например, именно тогда впервые возникли позвоночные, к которым принадлежит и человек... Между прочим, не менее знаменитая катастрофа - исчезновение динозавров, произошедшее около 65 миллионов лет назад, скорее всего, в результате столкновения Земли с огромным метеоритом, - тоже сопровождалось ускоренным появлением множества новых видов (например, нынешних млекопитающих), причем, как показал американский исследователь Д.Яблонский, именно в ближайших окрестностях места падения метеорита, в районе нынешнего Мексиканского залива, новые виды появились раньше всего, уже через миллион лет после катастрофы, а ведь именно там стресс должен был быть сильнее всего.

 

Открытие Сюзанны Резерфорд и Сюзэн Лундквист... как раз и наметило контуры возможного ответа на все эти вопросы. Эти исследовательницы выбрали в качестве объекта изучения некий специфический белок, функции которого в организме связаны, с одной стороны, со стрессом, а с другой - с развитием и изменением клеток. Эта его двойственная роль, по мнению исследовательниц, должна была позволить проследить связь между стрессом и клеточными (а в конечном счете - и организменными) изменениями на самом глубоком, молекулярном уровне. Белок этот называется HSP-90, что и обусловило название статьи в "Nature". Он относится к широкой и важной группе так называемых белков теплового шока, назначение которых, как видно из их определения, состоит в защите клеточных белков от теплового воздействия, то есть от "шока", который может быть вызван резким повышением температуры окружающей среды.

Исследования последних лет показали, что те же белки теплового шока способны защищать клеточные белки и от многих других опасностей и стрессов, например кислородного голодания, химических повреждений и даже от атаки некоторых патогенов. Более того, проникая в клетку, они защищают ее белки даже в отсутствие стресса, когда эти белковые молекулы только образуются внутри клетки, и до тех пор, пока они не свернутся надлежащим образом. Таким образом, белки теплового шока впору назвать просто "защитными".

Среди всех этих общезащитных белков HSP-90 выделяется одной уникальной особенностью. Он не занимается защитой образующихся белковых молекул. Подавляющее большинство его "подопечных" белков относится к классу так называемых передатчиков сигнала (signal transducers). Типичным примером таких передатчиков являются рецепторы клетки. Рецепторы - это белки, назначение которых состоит в распознавании специфических молекул, плавающих в межклеточном пространстве, и соединении с теми из них, которые определенным образом "соответствуют" данному рецептору. Белок-рецептор имеет удлиненную форму: его "головка", как грибок, торчит над поверхностью клетки, "тельце" пронизывает ее клеточную мембрану, а "хвост" находится внутри клетки. Рецепторы - "передатчики сигналов" рассчитаны на соединение с теми специфическими молекулами (гормонами, феромонами, нейротрансмиттерами, факторами роста и т.д.), которые циркулируют в межклеточной среде, перенося химические сигналы от одних клеток к другим.

Как это происходит? Когда сигнальная молекула садится на торчащую из клетки "чашечку" рецептора, это вызывает в рецепторе изменение его формы - как говорят, "конформационное изменение". Такое изменение продвигается вдоль тела рецептора и достигает его "хвоста", находящегося внутри клетки. Окружающие этот "хвост" специальные белки, киназы, под воздействием такого конформационного изменения понуждаются вступать в специфические биохимические реакции, что влечет за собой целый каскад последовательных химических превращений, достигающих в конечном счете наследственных молекул, укрытых в ядре клетки. Это и есть процесс передачи "сигнала" из окружающей клетку среды к ее наследственным молекулам. Упомянутый каскад внутриклеточных реакций, вызванный таким сигналом, может, например, привести к тому, что на какой-то ген наследственной молекулы сядет молекула белка, блокирующая или, наоборот, усиливающая его работу. А это уже, в свою очередь, влияет на темп роста клетки, характер метаболизма в ней, процесс ее деления или даже ее специализацию в ходе эмбрионального развития.

Оказывается, сигнальные рецепторы очень неустойчивы. Грубо говоря, та цепь звеньев-аминокислот, которая составляет их "хвост", "тельце" и наружную "чашечку", имеет тенденцию менять свою форму под воздействием даже небольших изменений, например, в результате мельчайших изменений в составе этой цепи вроде случайной (в результате "точечной" мутации) замены одной аминокислоты на другую. Понятно, что такое изменение формы "чашечки" влияет на ее способность узнавать нужную "сигнальную молекулу" и соединяться с ней. В результате сигнал либо вообще не поступает в клетку, либо поступает "искаженным" и вызывает иные последствия в наследственных молекулах. Развитие клетки (а порой и организма в целом) может пойти по "аномальному" пути. Для того чтобы этого не произошло, природа и "придумала" защитный белок HSP-90. Вторая его функция (кроме защиты от теплового шока) состоит как раз в том, чтобы удерживать рецепторы - передатчики сигналов в той конформации, которая необходима для нормального приема и передачи сигнала. Упрощенно действие этого белка можно представить себе как чисто механическое (на самом деле, оно химическое) удерживание "чашечки" рецептора в нужной форме до момента прихода сигнальной молекулы.

 

...при любом - чисто химическом или тепловом - уменьшении числа молекул HSP-90, обслуживающих сигнальные рецепторы, происходит то или иное нарушение нормальных сигнальных путей.

...вероятная картина молекулярного механизма ускоренной эволюции под стрессом: стресс отвлекает часть молекул HSP-90 от задачи стабилизации сигнальных рецепторов, это позволяет "проявиться" сразу всем тем скрытым мутациям, которые накоплены в сигнальных рецепторах за предшествующие поколения, а проявление сразу большого числа ранее накопленных мутаций как раз и обеспечивает то ускоренное возникновение многочисленных разновидностей, которое никак нельзя было объяснить одновременным появлением всего этого множества мутаций как раз в процессе стресса. Иными словами, загадка ускоренной эволюции под стрессом решалась бы именно тем, что эта быстрота обусловлена не одновременным появлением множества новых мутаций, а одновременным проявлением множества мутаций, накопленных ранее, но до поры до времени (стресса) скрытых. ...последующие эксперименты Резерфорд и Лундквист подтвердили именно эту... возможность.

 

Попутно выявилось еще одно интереснейшее обстоятельство. Оказалось, что если скрещивать дефектных мушек [дрозофил, на которых и проводились исследования] до шестого-седьмого поколения, то проявление некоторых дефектов перестает зависеть от наличия или отсутствия HSP-90. Как это понимать? Резерфорд и Лундквист объяснили это тем, что существует, видимо, какой-то порог проявления скрытых мутаций: если их число в молекуле рецептора ниже определенного, "порогового" значения, они могут влиять на форму рецептора только при полном отсутствии HSP-90, но если их число выше этого порога, они проявляются (то есть влияют на рецептор и меняют сигнальные пути, что приводит к появлению дефектных эмбрионов) независимо от стабилизирующего действия защитного белка. Грубо говоря, способность скрытых мутаций влиять на аминокислотную цепь рецептора становится больше способности HSP-90 удерживать эту цепь от таких влияний. Иначе говоря, с увеличением числа поколений происходит накопление скрытых мутаций, ведущее в конце концов к их проявлению даже вопреки действию HSP-90... Подставьте на место слова "дефект" более широкое словосочетание "новый признак" (ведь появление дефекта есть частный случай появления нового признака), и вся описанная выше картина тотчас окажется картиной эволюции в естественных условиях.

Подсчеты показывают, что достаточно понизить этот порог даже на пару десятков процентов, чтобы количество особей с "надпороговым" числом скрытых мутаций оказалось вполне заметным (несколько процентов от общего числа особей в коллективе). Потомство этих особей обретет новый признак, станет новой разновидностью внутри данного вида. Дальше уже вступит в действие естественный отбор. Если этот новый признак будет давать "дефектным" особям хотя бы небольшое преимущество в адаптации, естественный отбор начнет увеличивать частоту его появления в коллективе (иными словами, потомство этих особей будет выживать лучше, чем потомство других, и их доля в коллективе будет неуклонно возрастать). По мере продолжения их скрещиваний друг с другом среди этих особей будут все чаще появляться те, у которых число скрытых мутаций больше порога даже в присутствии HSP-90. Если теперь стрессовые условия кончатся, настанут "спокойные времена", HSP-90 вернется к исполнению своих обязанностей по надзору за сигнальными рецепторами, и порог проявления скрытых мутаций поднимется опять до своего нормального значения, это уже не сможет изменить ситуацию: в коллективе уже накопилось достаточно особей, способных преодолеть и этот порог. Новый признак будет сохраняться и далее.

По мнению Резерфорд и Лундквист, проявление скрытых мутаций, ведущее к устойчивым эволюционным изменениям, является, видимо, главным или, во всяком случае, одним из важнейших молекулярных механизмов эволюции. Способы этого проявления, возможно, могут быть различны, на это как будто указывают исследования некоторых других экспериментаторов, но среди этих способов проявление скрытых генетических вариаций посредством нарушения функций HSP-90 явно занимает особое место, выделяясь как разнообразием, так и масштабом проявляющихся телесных изменений. Дает ли это основание считать этот конкретный способ проявления скрытых мутаций "главным" молекулярным механизмом эволюции - другой вопрос.

"ЗНАНИЕ-СИЛА" N 4, 2000г.

 

Rambler's Top100