13.3. Процессы мутагенеза и передача наследственной информации

Когда человек не понимает пробле­му. он пишет много t/юрмул, а когда наконец поймет, в чем дело, оста­ется в лучи/см случае две формулы.

А. Пуанкаре

Не печалься и не горюй, жизнь решит самые сложные пробое«■ , мы, если ей предоставить на это достаточно времени.

П. Капиц

а

13.3.1. Мутации и радиационный мутагенез

В клетках, готовящихся к делению, происходит синтез новых копий ДНК. Но в процессе этого копирования могут возникать ошибки, сбои. Они изменяют смысл генетических инструкций, и тогда образуются изменения в передаче наследственной ин­формации. На физическом языке это называется рекомбинаци­ей, в результате которой происходит перестройка генов и хромо-

сом. Частота рекомбинации зависит от расстояния между генами и обычно составляет в среднем 50%. Изменение состояний про­исходит скачкообразно, дискретным образом. Также скачки ос­нователь квантовой теории биологии X. Фриз (1848—1935) на­звал мутациями.

Мутация — это любое изменение в нуклеотидной последова­тельности определенного гена. Наиболее часто происходят то­чечные мутации, связанные с изменениями одного азотистого основания, что ведет к изменению типа аминокислотного остат­ка в одном из положений полипептидной цепи. Другие мутации приводят к вставкам или удалению одного или более аминокис­лотных остатков. Особым типом мутации является удвоение ге­на, в результате чего появляются две копии одного и того же ге­на. Знание генетического кода позволяет объяснить эффект не­которых мутаций.

Эти изменения — мутации — могут передаваться по наследст­ву и, значит, лежат в основе дискретной изменчивости: новые виды возникают в результате мутаций. Понятие мутации в био­логии аналогично понятию флуктуации в физике и синергетике. По своей сути мутации — это также частичные изменения струк­туры генов, приводящие к изменению свойств белков, которые кодируются уже мутантными генами.

Появляющиеся новые признаки вследствие мутаций не ис­чезают, а накапливаются. Такие изменения служат единствен­ным источником генетического разнообразия внутри вида. Му­тации вызываются радиацией, изменениями температуры, дейст­вием химических соединений, любыми другими физическими воздействиями на гены. Понятно, что такие воздействия проис­ходят совершенно случайным образом. Мутагенез, таким об­разом, является случайным процессом возникновения наслед­ственных изменений — мутаций, возникающих спонтанно в результате действия различных физических и химических факто­ров — мутагенов.

В последние 50 лет в связи с химическим и радиационным загрязнением среды особенно возросла роль мутаций, обуслов­ленных этими причинами. Работами американского генетика Г. Меллера (1880—1967), Фриза, Н.В.Тимофеева-Ресовского, М. Дельбрюка (1906—1981) и многих других была создана ра­диобиология.

Обобщая результаты радиобиологических исследований, про­веденных Тимофеевым-Ресовским, Циммерманом и Дельбрю­ком, Шрёдингер отмечал квантовую природу радиационного му­тагенеза. Были установлены некоторые закономерности, связан­ные с радиацией: частота мутаций прямо пропорциональна дозе облучения; если изменяется длина волны излучения, но сум­марная доза остается неизменной, то коэффициент этой пропор­циональности остается постоянным. Таким образом, количество мутаций прямо зависит от накопленной дозы.

Мутации вызывают нарушения в комплементарном пристра­ивании друг к другу четырех нуклеотидов и могут значительно изменить или даже создать желаемую генетическую программу. Тем самым возникает возможность, управляя мутациями в ДНК методами генной инженерии, создавать новые искусственные образования органических молекул и значительно изменять строение и облик созданных живых организмов в нужном чело­веку направлении. Так, с помощью генной инженерии были по­лучены инсулин, интерферон и гормон роста, выведены свиньи с меньшим содержанием жира и коровы, молоко которых не скисает так быстро, и т.д. Из-за отрицательного действия ради­ации разные люди являются и разными «мутантами», и поэтому на них по-разному действует облучение.

Недавно американский исследователь И. Эйхлер и его колле­ги при изучении особенностей генома приматов пришли к выво­ду, что гены человека и его ближайших родственников — выс­ших обезьян — весьма склонны к мутациям. Именно эта «фа­мильная черта», возможно, стала одной из причин появления человека. Для быстрых эволюционных изменений нужен теку­чий, изменчивый геном. Такая гибкость биохимической конст­рукции характерна не для всех видов организмов. Так, многие черви и моллюски очень мало изменились за миллионы лет. Можно в шутку сказать, что хромосомы приматов отличает ско­рее «творческое начало», чем консерватизм. Они более способст­вуют мутациям содержащихся в них генов и тем самым усилива­ют генетические изменения.

Был также обнаружен повторяющийся элемент ДНК, назван­ный ими CAGGG, который позволяет судить о возрасте генети­ческих изменений. Любопытно, что приматы, например, бабу­ины (обезьяны рода павианов), содержат значительно меньше повторов CAGGG, чем люди. Это означает, что число повторов этого элемента ДНК у человека увеличивалось в процессе эво­люции

.

Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский

Н.В. Тимофеев-Ресовский (1900— 1981) — выдающийся русский ученый-ге­нетик, мыслитель-космист и естествоис­пытатель нашего времени. Николай Вла­димирович Тимофеев-Реоовсхий родил­ся в Москве, но детство провел на калужской земле в имении бабушки. Его мать Надежда Николаевна, из обеднев­шего дворянского рода Всеволжских, ве­ла свою родословную от Рюриковичей, дальними родственниками ее были писа­тели Аксаковы, и Григоровичи, а также известный адмирал Невельской, много сделавший для освоения Дальнего Вос­тока России. С отцовской стороны Тимо­феевы происходят от беглых донских казаков. По семейному пре­данию свою фамилию отец получил от Тимофея Разина — брата Стеньки Разина. Внук этого брата Тимофей Тимофеевич отличил­ся при присоединении Сибири к России. За это царь Алексей Ми­хайлович назначил его воеводой в Калуге. Отец же будущего вы­дающегося естествоиспытателя, инженер путей сообщения, участ­вовал в строительстве более 15 тыс. километров железных дорог на Урале, в Сибири, Поволжье, Литве, Белоруссии и Украине. По отцовской линии предки Николая Владимировича состояли в род­стве с Н.В. Гоголем (1809—1852), адмиралами Д.Н. Сенявиным (1763—1831), Ф.А. Головиным (1650—1706) и П.С. Нахимовым (1802—1855), имена которых дороги каждому русскому сердцу. Н.В. Тимофеев-Ресовский всегда гордился служением своих пред­ков Отечеству и сохранил в себе их вольнолюбивый дух, изобрета­тельность и отвагу.

В 1925 г. по рекомендации известного биолога Н.К. Кольцова и приглашению общества кайзера Вильгельма по содействию наукам Тимофеев-Ресовский начал работать в институте мозга в Берлин-Бухе научным сотрудником, а затем стал директором от­дела генетики и биофизики Огромный талант, незаурядная эру­диция, широта охвата научных проблем и наконец свойственная ему любознательность позволили за 20 лет работы за рубежом установить тесные научные и человеческие связи со многими вы­дающимися учеными того времени. Среди них — Н. Бор (которого он называл на русский манер Нильсушкой), М. Планк, Э. Шрёдин- гер, Т. Морган, Г. Меллер и др. В Берлин-Бух к нему приезжали

V^L

Н.И. Вавилов и В.И. Вернадский. За эти годы интенсивной работах в области генетики и молекулярной биологии, в частности по спонтанному и вызванному рентгеновским облучением мутагене­зу, он получил много фундаментальных результатов. В 1935 г. совместно с физиком-теоретиком М. Дельбрюком (будущим Нобе­левским лауреатом) и К. Циммерманом он опубликовап работу «О природе генных мутаций и структуре гена», в которой сформу­лированы основы радиационной генетики; эта работа стала пред­течей современной мопекупярной биологии.

Исследования в этой области помогли Н.В. Тимофееву-Ресов- скому радиобиологическими методами впервые вычислить ген. его линейный размер и объем, используя методологически тот же при­ем, который Э. Резерфорд применил при установлении структуры атома, — метод изучения исключений. Как известно, Резерфорд при рассеянии альфа-частиц (ядер гепия) обратил внимание на то, что лишь одна из 8000 частиц отклонялась на значительные углы (более 90°). Эта, казалось бы, несущественная деталь, практически не изменяющая общей картины рассеяния частиц, подсказала Ре- зерфорду планетарную модель атома, в которой почти вся масса сосредоточена в относительно ничтожном по размеру ядре.

При исследовании впияния ионизирующих излучений на мута­ции мушек-дрозофил Тимофееву-Ресовскому удалось выявить редкие исключения, когда такие мутации появлялись, а по ним оп- ределить, что участок ДНК — ген, поражение которого приводит к мутациям, занимает ничтожную часть клетки. В результате был оформулирован знаменитый принцип ковариантной редуплика­ции — «самовоспроизведение с изменениями».

Среди проблем, которыми занимался ученый, были исследо­вания в области мопекупярной и радиационной генетики и биоло­гии, микроэволюции и онтогенеза, синтетической эволюции и те­ории уровней организации живого. Все эти исследования состав­ляют круг современных биологических дисциплин, у истоков которых, таким образом, стоял Н.В. Тимофеев-Ресовский. Однако сам Николай Владимирович главным, что он сделал в науке, счи­тал открытие принципа усиления, который фактически стал аксио­мой биологии. Тимофеев-Ресовский рассматривал мутацию как физическое явление. Биохимически и энергетически это усиление едва уловимо, но, многократно возрастая, приводит к существен­ным изменениям в организме. Это один из главных принципов, ле­жащих в основе радиационной генетики, а может быть, и всего ес­тествознания вообще.

ff Н.В. Тимофеев-Ресовский задолго до создания атомного ору- ! жия, ядерных реакторов и аварий на них высказал идею, что | ионизирующее излучение опасно не только лучевой болезнью, но I и своими отдаленными последствиями. Оно способно вызвать та- i кие изменения наследственного аппарата, которые могут сказать- | ся на потомстве не сразу, а через несколько поколений. Эта идея | легла в основу радиационной генетики и радиобиологии.

К изучению влияния радиации на живой организм ученый сно- ! ва вернулся во время своей работы на Урале, после пребывания ! в лагере, в котором он оказался по приговору Военной коллегии j Верховного Суда СССР от 4 июля 1946 г, после ареста в Берлине, | когда он был обвинен в невозвращении на Родину в 1937 г и в | том, что остался жить и работать в фашистской Германии, якобы j сотрудничая с нацистами. Эта чудовищная клевета преследовала его вплоть до самой смерти в Обнинске в 1981 г.

Н.В. Тимофеев-Ресовский и в гитлеровской Германии оставал­ся патриотом России. Он устраивал на работу в свою лаборато­рию в Берлин-Бухе советских и иностранных военнопленных и по­могал им, выписывая фиктивные документы. Его старший сын j был участником антифашистского Сопротивления и погиб в конц- i лагере незадолго до Победы в 1945 г. Доброе имя Н.В. Тимофе- i ева-Ресовского было реабилитировано совсем недавно, в 1992 г Находясь в заключении, Николай Владимирович продолжал ! служить науке. Вместе со своей женой Еленой Александровной, | как говорили его друзья и коллеги, — добрым ангелом-храните- j лем и надежной опорой во всех научных и житейских делах, он по- 1 лучил важные экспериментальные результаты по накоплению ра-