ЧТО ПРОИСХОДИТ В ЯДРЕ КЛЕТКИ?
Ольга УШАКОВА, "НВС"
Поисками ответов на этот глобальный вопрос генетики мира были
заняты в течение всего XX века. Свой вклад в этот поиск внесли
три исследователя из Института цитологии и генетики СО РАН:
член-корреспондент И.Жимулев, доктора наук Е.Беляева и В.Семешин.
Накануне нового года они стали лауреатами престижной награды в
области наук о жизни -- премии им. Н.К.Кольцова.
Академических премий и наград удостоены многие ученые СО РАН, но
премию им. Н.К.Кольцова, одного из самых известных генетиков
начала XX века, можно в данном случае назвать особенной. Она
настолько "попала" по адресу, что ее почетность еще больше
возрастает. Из истории науки известно, что еще в 1928--1935 годы
именно Николай Константинович Кольцов задолго до других
исследователей предположил, что хромосомы представляют собой
длинные молекулы, а гены в них -- это особые радикалы,
расположенные линейно по всей длине. В 1934 году именно Кольцов
первым предложил модель организации политенных хромосом, и многие
из его предположений блестяще подтвердились. И вот сегодня этой
премии имени Кольцова удостоены сибиряки -- член-корреспондент
Игорь Жимулев и доктора наук Елена Беляева и Валерий Семешин,
сотрудники лаборатории молекулярной цитогенетики из Института
цитологии и генетики СО РАН.
Сообщение о премии пришло в самый канун Нового года, нового века
и нового тысячелетия. Не с каждым так происходит, поэтому и
награда кажется совершенно особенной, да и работа, отмеченная ею,
словно выбрана фортуной...
Само название цикла работ звучит весьма фундаментально:
"Молекулярно-генетическая организация политенных хромосом".
Сложно даже для общих биологов и химиков, не говоря уже о
технарях или гуманитариях. Но понять хочется, тем более, что
политенные хромосомы находятся в ядре клетки, и на самом деле
какие-нибудь перспективные прикладные результаты работ в этой
области могут в будущем пригодиться любому человеку.
Заведующий лабораторией Игорь Федорович Жимулев рассказал об
истоках интереса к политенным хромосомам. Собственно, все это
тесно связано и переплетено с глобальными открытиями генетики в
прошедшем веке и с хромосомной теорией в целом. Как в пословице
-- не разлить водой.
Каковы цели любой биологической работы? Изучить жизнь в целом;
изучить жизнь человека, его болезни и способы их лечения.
Растущее народонаселение Земли требует производить все большее
количество продуктов питания. Казалось бы, и нужно в первую
очередь изучать человека, и те организмы, которые ему "полезны".
Но, изучая их, мало что можно понять. Уж очень они сложны.
Поэтому общие закономерности можно выявлять на более простых,
модельных объектах. Их у генетиков немного, около дюжины:
бактерия -- кишечная палочка, микроскопический червячок --
нематода, микрорастение арабидопсис, мышь, некоторые виды
одноклеточных грибов и инфузорий, горох, кукуруза, куры и, все
активнее в последние годы -- человек. Но самым лучшим объектом
является дрозофила. Не в последнюю очередь потому, что на
некоторых стадиях развития у нее формируются политенные
хромосомы. Что это такое?
В начале XX века не было таких микроскопов, через которые можно
было бы наблюдать, что происходит в ядре клетки, когда хромосомы
активны. Кроме того, обычную хромосому, как потом стало известно,
в "работающем" состоянии и увидеть-то невозможно. Но есть такой
этап, когда хромосома компактизуется при делении клетки, и в
момент, когда "половинки" "упакованы" и "разъезжаются", хромосомы
становятся на некоторое время "видимыми". Собственно, именно их и
называют хромосомами, но стоит только хромосоме
декомпактизоваться в обычное рабочее состояние, она снова
"невидима". Таким образом, в процессе реализации наследственной
информации хромосому увидеть невозможно. Степень укорочения ДНК в
цикле компактизации-декомпактизации очень велика -- примерно в 10
000 раз. Если изменить масштаб размеров и представить, что нить
ДНК в клетке в развернутом виде имеет длину, равную расстоянию от
ИЦиГ до Бердска, то в хромосоме делящейся клетки она превратилась
бы в отрезок длиной всего в 1 метр.
Понятно, что всем исследователям хотелось видеть не саму
упаковку, а работающий объект, чего позже и удалось добиться...
Так вот, забегая вперед, скажем, что работающими и видимыми при
этом как раз и являются политенные, то есть многонитчатые
хромосомы. Обнаружили их вообще-то лет 120 назад, в конце XIX
века, а потом лет пятьдесят не могли понять, что же это такое.
Только в 30-е годы XX века выяснилось, что это хромосомы.
Как возникают политенные хромосомы? В каждой клетке, как
известно, две нити ДНК, перед каждым клеточным делением они
удваиваются и далее должны расходиться. Как правило, так и
происходит, но не всегда и не везде. В некоторых клетках,
достаточно редко встречающихся, они удваиваются и остаются рядом.
Клетка не делится. Затем эти четыре нити снова удваиваются и
остаются рядом, далее -- снова и снова. И все эти хромосомные
нити работают, и процесс их активности наблюдаем, потому что
хромосомы большие и развернутые.
Фактически политенная хромосома -- объект-гигант, по сравнению с
обычной двунитчатой хромосомой. Это жгут, состоящий из одной-двух
тысяч нитей, словно одна гигантская хромосома... Понятно, что и
сама клетка с политенными хромосомами тоже огромна. Все
увеличивается в тысячу раз и все наблюдения структур хромосом в
активном и неактивном состоянии можно вести, используя обычный
лабораторный микроскоп.
Почему и по какой причине образуются политенные хромосомы, вопрос
отдельный, фундаментальный и недостаточно изученный. Но
относительно человека можно привести такой пример: в организме
матери для питания будущего ребенка есть специализированная
ткань, которая должна "кормить" этот эмбрион. В ней тоже
образуются такие же гигантские клетки и политенные хромосомы.
Задача организма заключается в том, чтобы не тратя время на
деление клеток, быстро увеличить нужные функции клетки. В
принципе политенные хромосомы и возникают в подобных необходимых
случаях. А само явление так и называется -- политения.
Но генетики любят политенные хромосомы не за это. Их гигантские
размеры используются для того, чтобы увидеть то, что скрыто в
хромосомах других типов. Это очень удобная модель для анализа
множества генетических процессов. В начале 1930-х годов работы на
политенных хромосомах дали решающее подтверждение хромосомной
теории наследственности Т.Моргана. Чуть позже, в 1936 году,
одновременно Н.Дубинин в СССР и Ф.Добжанский в США использовали
их для изучения структуры популяций. Еще лет через 20 оказалось,
что в политенных хромосомах методом простого наблюдения в
микроскоп можно выявлять активные гены. Потом, в 1960-м году,
впервые установили, что гормоны действуют на живые организмы,
активируя и инактивируя их гены. Чуть позже, используя политенные
хромосомы, открыли новое биологическое явление -- синдром
клеточного стресса (или, по-другому, теплового шока). Огромные
успехи генной инженерии, и в первую очередь, на дрозофиле, не в
последнюю очередь связаны с наличием у этой мушки политенных
хромосом, ибо каждый шаг клонирования ДНК можно контролировать
непосредственно под микроскопом.
Вот с этими-то хромосомами и имеют дело исследователи ИЦГ.
Лаборатория молекулярной цитогенетики, возглавляемая И.Жимулевым
-- современное звено научной российской школы, заложенной
Н.Кольцовым. Если говорить об истории, то прямым учеником
Кольцова был Н.Дубинин, основоположник ИЦиГ. Далее эти
исследования развивали В.Хвостова, Ю.Керкис,
А.Прокофьева-Бельговская -- легенда нескольких поколений
генетиков. Все трое -- И.Жимулев, Е.Беляева и В.Семешин --
считают, что им крупно повезло, потому что они успели пообщаться
с этими светилами науки. Начало возрождения интереса к политенным
хромосомам в нашей отечественной науке после периода лысенковщины
связано с работами д.б.н., профессора И.Кикнадзе, которая вновь
ввела политенные хромосомы, как объект цитологических
исследований, начав работать в СО АН с января 1958 года. В ее
лаборатории работали все трое.
В 1976 г. группа И.Жимулева стала развиваться самостоятельно,
став ядром новой лаборатории -- молекулярной цитогенетики,
главным направлением которой является генетическая организация
политенных хромосом. Естественно, результаты работы получены как
итог труда большого коллектива (сейчас со студентами в
лаборатории 34 человека). И это несмотря на то, что за последние
10 лет 15 человек уехали насовсем в США и Западную Европу.
Подросли и исследователи нового поколения: Г.Похолкова,
супружеская чета О. и С.Демаковых, совсем молодые к.б.н.
А.Алексеенко, Д.Коряков и И.Макунин...
А дальше -- 25 лет исследований этой большой группы ученых,
сложившейся научной школы профессора И.Жимулева. Сегодня он
читает лекции студентам НГУ, написал учебник по генетике. За эти
годы вышло около 250 публикаций в журналах, издано также шесть
томов -- монографии по политенным хромосомам, три из них -- в
США. В последнее десятилетие финансирование сводилось к 1
проценту от необходимого и деньги приходилось добывать самыми
разными способами. Понятно, теперь есть и гранты, но об одной
истории стоит рассказать отдельно. Написал И.Жимулев учебник по
генетике в 1996 году. Нужен компьютерный набор. Одних рисунков
450. Стала лаборатория искать, что называется, спонсора.
Обращались в банки, к предпринимателям... И вот один из них
говорит: свободных денег у меня нет, а рыбы камбалы много.
Предложил такой подарок -- 100 кг этой рыбы, да по мелочам --
сапоги зимние, ботинки, да 50 банок консервов рыбных. Привез
завлаб И.Жимулев эту камбалу в институт и предложил ее до
зарплаты, в кредит, так сказать, сотрудникам лаборатории, да еще
и дешевле, чем в магазине. Рыбу разобрали вмиг, а деньги
вернулись при выплате задержанной зарплаты. Все оказались сыты, и
учебник был набран. Можно, конечно, смеяться или возмущаться, но
ведь государство и кильки на эту работу не предложило, только
зарплату задерживало.
Чем же занимаются в лаборатории молекулярной цитогенетики? Как и
другие генетики, сотрудники лаборатории также используют
политенные хромосомы как модель, но уже модель организации
активно функционирующих хромосом у всех организмов. Под
микроскопом, в который корреспонденту "НВС", конечно же,
предложили заглянуть, отчетливо виднелись длинные
поперечно-полосатые изящные змейки, похожие на кобру с раздутым
клобуком.
Наши исследователи занимались все эти годы тем, что
расшифровывали генетическую и молекулярную структуру различных
участков политенных хромосом. Они установили, вопреки устоявшимся
в мире каноническим постулатам, что каждая из полосок в хромосоме
(диск) может содержать не один, а много разных генов. Как писал
потом в журнале Nature М.Ашбурнер, один из столпов современной
цитогенетики, Жимулев и коллеги "предали анафеме постулат: 1 диск
-- 1 ген". В свое время предшествующими исследователями было
изучено и описано явление вздутия части хромосомы, получившего
название "пуф" -- локальная активность считывания информации с
гена (тот самый "клобук"). И в лаборатории И.Жимулева стали
пробовать способы воздействия на отдельные гены-участки действием
гормонов. Оказалось, можно изменить каскад генной активности --
заставить какие-то гены работать активнее, а можно инактивировать
вообще. Здесь открывались широкие возможности, "предоставляемые"
именно политенностью хромосом.
Другими научными результатами лаборатории являются разработка
оригинальной модели организации политенных хромосом; способы
генетического анализа и клонирования различных структур
политенных хромосом, в том числе активно работающих генов-пуфов,
моделирования дисков политенных хромосом с помощью
генно-инженерных методов. Многое сделано впервые в мире. Особенно
интересной представляется разработка каскадного принципа
пуфообразования. В этих хромосомах впервые найден ген, работающий
как включатель или триггер. Он способен включать или отключать
целый каскад -- сотни других генов. Поиск гена-триггера был
целенаправленным и происходил по специальному сценарию.
В общем, речь идет о сложных фундаментальных процессах, которые
удается исследовать благодаря моделям, разработанным учеными
лаборатории молекулярной цитогенетики, предложенным способам
анализа и так далее. Ценно, естественно то, что все это
становится достоянием науки в целом и может быть использовано для
дальнейших шагов вперед генетиками самых разных стран. Но
приоритет -- наш! Генная система, открытая в лаборатории
молекулярной цитогенетики, стала потом объектом исследований в
полутора десятках лабораторий мира.
Вот, например, на прошедшей в Цюрихе в 2000 году конференции по
гормональному контролю генных взаимодействий, работу об открытии
гена-триггера цитировали не меньше ста раз. Так что ее можно
назвать этапной для развития генетики, как фундаментальной науки.
Каждый из трех ученых -- а они вместе уже 25 лет -- внес свой
вклад в общую работу. Валерий Федорович Семешин "придумал", как
создавать и анализировать искусственные структуры хромосом,
используя трансформацию -- встраивание в хромосому фрагментов
чужеродного генетического материала с заданными характеристиками.
Игорь Федорович назвал его лучшим электронным микроскопистом мира
среди работающих с политенными хромосомами и, наверно, в этом нет
натяжки. На счету Елены Сергеевны Беляевой -- кроме других
достижений -- открытие еще одного специфического гена,
контролирующего политенизацию, а также выявление особой формы
генетической инактивации.
В структуре "змейки" хромосомы исследователи выделили для себя
еще целую серию интересных микроструктур. По длине хромосомы
расположились около 3000 светлых полосок-участков, каждый
размером около микрона. И никто в мире пока не знает, что это
такое. Но генно-инженерными методами нашим исследователям удалось
"вытащить" и исследовать шесть из них. Тоже впервые в мире.
Куда же применимы в конечном итоге результаты? Такой вопрос,
безусловно, возникает и ответить на него можно так. По большому
счету в мире сейчас идет формирование генной инженерии, как
науки, создание генно-инженерных методов для фундаментальных
исследований и прикладных работ. Сегодня в США, например,
существует около 1,5 тысяч лабораторий, работающих с генетикой
дрозофилы, в России же не наберется и полутора десятков. Именно
поэтому в американских фирмах генно-инженерные методы
используются уже в промышленных масштабах; в детских поликлиниках
повсеместно есть генная диагностика; а определенные
наследственные болезни уже лечатся генно-инженерными методами...
Конечно, американской профессуре история с камбалой и во сне не
приснится, но результаты работ сибирских генетиков, наверно,
кому-нибудь спать спокойно не дадут. Профессора И.Жимулева и его
коллег неоднократно пытались сманить за границу, но бесполезно.
Все они хотят работать только здесь, в России, среди людей, с
которыми их связывают нити гораздо более прочные, чем это кажется
на первый взгляд.
стр.
|
