В.А. Геодакян»Загадка геномного импринтинга — миф и реальность» (С.18-23)

Геодакян В.А.

ЗАГАДКА ГЕНОМНОГО ИМПРИНТИНГА – МИФ И РЕАЛЬНОСТЬ

Институт проблем экологии и эволюции РАН им. А.Н.Северцова, Москва

1. Два базовых явления природы асимметрия и пол имеют много общего и тесно связаны между собой. Оба бинарно сопряженные дифференциации, из консервативной и оперативной подсистем (БСД=КП+ОП), в которых моно- морфизм-диморфизм и симметрия-асимметрия, фактически, синонимы. У них изоморфная природа и эволюция. Стабильное состояние всегда симметрично и мономорфно, а эволюции – асимметрично и диморфно. Филогенез любого признака (функции) состоит из 4-х стадий в определенном порядке. 1. Ста- бильной при симметричном отсутствии признака. 2. Эволюции асимметрич- ного появления признака. 3. Стабильной при симметричном наличии признака. 4. Эволюции асимметричной утраты признака. Ничего кроме. Например, явление зиготности в эволюции доминантности генов: аааААА (эволюция рецессивной гомозиготы в доминантную), или гаметности в эволюции хро- мосом: (А1А1)→XXXY→(YY)А2А (гоносомы – эволюция старой пары ау- тосом в новую). Изоморфизм систем приводит к эффекту кроссворда, в кото- ром по горизонтали загадки пола, по вертикали – асимметрии. С другой сторо- ны, глубокий кризис с эпицентром в генетике пола, требует смены эко- эволюционных парадигм и нейробиологии (асимметрии мозга), ибо коренные понятия: организм, пол, генотип, фенотип, наследуемость, норма реакции и др. перестали работать.

2. В 1984 г две группы ученых в Англии и США одновременно открыли на мышах странную загадку. Они хотели, объединив в одной зиготе гены двух яйцеклеток или двух спермиев получить клон одного родителя. Извлекали оп- лодотворенные яйцеклетки до слияния генов матери и отца, перемещением яд- рышек, создавали три типа зигот: ♀+♂, ♀+♀, ♂+♂, внедряли их в матку при- ёмных матерей. Через 21 день рождался только двуполый, однополые гибли. Оказалось, что в случае ♀+♀ эмбрион сначала развивался нормально, но не образовывал плаценту, оболочки плода и погибал. В случае ♂+♂, наоборот, плацента (на 10-е сутки), была больше нормы, были оболочки, но в них вместо эмбриона – аморфный комок [6,7]. Значит, начало развития эмбриона опреде- ляют гены только матери, а плаценты – только отца! Это противоречит осно- вам генетики. Придумали новое название “геномный импринтинг”. Оно не объясняет сути: эволюционной логики, цели, роли, функции.

Для чего геномный импринтинг? Что даёт? Ответа нет. В 1989 г Д. Хейг попытался объяснить явление ложной “теориеи” антагонизма, конфликта, вой- ны полов, паразитизма плода, и прочей алогичной (даже вредной!) чепухи. Мужской пол не доверяет женскому развитие плаценты (?). Почему он решает, что и кому доверять в чужом организме? Начало развития более важного эм- бриона доверяет, а плаценты – нет? Японец Й. Иваси пытался ответить в рам- ках другой “теории”, компенсации дозы Х-генов у женского пола. Если бы конденсация действительно была для этого, то она должна быть всегда у гомо- гаметного пола. Но у птиц инактивируется единственная (!) Z-хр самок [4]. Какая же это компенсация дозы?! 2006 г появились еще две “теории”, Вольфа- Хагера и А.И. Кутмина такие же слабые, как первые. Тутанхамон, прожив все- го 18 лет, сказал “Правда, только одна”. Если существует много теорий явле- ния, то истинной может быть только одна, остальные окажутся или ложными, или частными случаями истинной. Эйнштейн предлагал три критерия оценки теорий: простоту посылок, дальность связей и широту применения. Добавим ещё – прогностичность. Это – важный критерий. Теория должна предсказы- вать ниоткуда иначе не следующие вещи.

3. В 1959 г. я обнаружил, что биологи не могут объяснить, для чего существуют два пола, адаптивный смысл дифференциации полов, раздельнополости, и предложил эволюционную теорию пола, по которой, это не лучший метод размножения, а экономный способ эволюции и “экологии” (контакта со средой). Специализация по главным альтернативным аспектам эволюции: со- хранения женский (базовый) пол, и изменения мужской (пробный) [1,4]. Главная гипотеза новой теории – идея дихронной эволюции полов: сначала мужской, потом, много поколений позже, – женский. Цель дихронизма – про- верка всех новых генов (в том числе и сугубо женских) в мужском геноме, прежде, чем они попадут в женский. Дихронизм создает разная норма реакции полов: у женского пола она шире, чем у мужского по всем признакам. А это – результат разной концентрации половых гормонов. Им же (и другим эволюци- онным гормонам) теория дает обобщенную трактовку: эстрогены (КП) – ве- щества, которые, расширяя норму реакции, удаляют систему от среды и тор- мозят эволюцию, андрогены (ОП) – наоборот, сужая норму реакции, при- ближают к среде и ускоряют эволюцию. Это делает CH3 радикал, как эле- ментарный половой диморфизм таких молекул: ОП+CH3=КП, т.е. метилиза- ция тестостерона превращает его в эстрон и феминизирует ген (гормон), а де- метилизация, наоборот, маскулинизирует его. При этом в геноме матери более ранние версии генов, отца – поздние. Из дихронизма вытекают все остальные положения теории. Одно из главных, что эволюционно новые гены только у мужского пола и дети получают их от отца, а старые только у женского, по- лучают от матери.

К идее дихронизма я пришел интуитивно. Потом понял, что разгадать загадку пола позволил переход от парадигмы синхронной эволюции полов, к дихронной. Идея оказалась очень плодотворной. В 1967 г она была обобщена для изоморфной трактовки ряда бинарно-сопряженных систем: ДНК-белки, аутосомы-гоносомы, ядро-цитоплазма, симметрия-асимметрия организмов, мозга, тела, правши-левши и др. Она объясняет, репликацию одной X-хр до аутосом, а другой и Y- после, предсказывает и вскрывает в составе репродук- тивного полового диморфизма (общие аутосомные гены, разные гормоны), две новые эволюционные формы. 1. Модификационный половой диморфизм без генной основы, фенотипический, гормональный (первая реакция популяции на изменение среды). Его цель – убрать женский пол из зон отбора, оставив там только мужской. 2. Эволюционный, селекционный половой диморфизм генов. Его создает элиминация мужского пола, приводящая к потере численности, дисперсии и ускорению его эволюции. Значит, женский пол сохраняет числен- ность и дисперсию, гены прошлого, мужской привносит сдвиг среднего гено- типа, т.е. новые гены. Эволюционный половой диморфизм – вектор, “компас”, показывающий направление эволюции. Он возникает внутри популяции. А при скрещивании 2-х разных видов (рас, этносов, наций) дихронизм создает другую загадку генетики – реципрокных эффектов, асимметрию родителей.

4. Лошадь и осёл, появившись ~ 4-8 тыс. лет назад, не застали шумеров, но египтяне и парфяне, пересев с верблюда и слона на лошадь, уже знали, что оба их гибрида: мул (отец осёл), и лошак (отец лошадь) похожи на отцов. Лошадь и осёл возникли дивергентно от общего предка тарпана (или лошади Пржевальского). Более далекие предки были величиной с кошку. После дивергенции лошадь стала длиннее, выше, быстрее, хвост из длинных волос. У осла удлинились уши, укрупнилась голова, сузились копыта, утончился хвост с кистью из волос. Гены этих признаков, как новые, должны быть вначале только у самцов. При дивергентной эволюции всегда бывает стадия, когда мужской пол, как авангард, уже бимодален, а женский – арьергард, еще мономодален, тогда оба гибрида, двух разных самцов с общей самкой, при аддитивном на- следовании, (♀+♂)/2, попадают в вид отца. А при конвергентной эволюции двух видов, самцы по новому признаку уже одинаковы, а самки ещё – разные и оба гибрида попадают в вид матери. Но, т.к. эволюция в многомерных нишах (тропики) и вся селекция дивергентна, то отцовский эффект наблюдается на- много чаще, чем материнский. А конвергентная эволюция бывает в одномер- ных нишах, где доминирует один фактор среды: мороз за полярным кругом, или жара в пустыне.

Наличие сугубо мужских генов, зная об Y-хр, трудно отрицать. А сугубо женские гены отрицают по умолчанию (т.к. нет специальной хромосомы). На самом деле вся совокупность фактов прекрасно укладывается в следующую дедуктивную схему. Геном продвинутых раздельнополых форм состоит из двух субпопуляций генов: мужской и женской. Дихронизм слегка смещает их распределения и по координате система→среда (диморфизм) и по времени старые→новые (дихронизм). Тогда геном дихрономорфной популяции всегда из трех частей: у женского пола старые и общие, у мужского общие и новые, т.е. с системной стороны старые, со средовой – новые, а между ними общие аутосомные гены. Старые гены у женского пола в 2-х “папках”: вечного хранения (от одноклеточных до появления Адама), и на срок дихронизма (архивные гены, уже утраченные мужским полом). Новые гены по локализации так- же 2-х типов: в Y- и X-хр. Первые, самые новые, опасны и для мужского пола, должны быть в начале надёжно закрыты. Эти гены в, открытых в Y-хр, палин- дромах и не работают, т.к. их продукты – химические антагонисты – гасят друг друга. Вторые, рецессивные гены в Х-хр, находятся в мужском геноме в геми- зиготном состоянии, т.е. доступны отбору, а в женском геноме они прикрыты доминантными генами 2-й Х-хр. Без дихронизма, реципрокный эффект невоз- можно объяснить. Таких загадок в генетике пола синхронной парадигмы нако- пилось много! Например, почему женские черепа пещер Схул и Табун – неан- дертальские, мужские – кромоньёнские? Почему дерматоглифика болгарок – литовская, болгар – турецкая? Почему у башкирок 1 тип черепов, у башкир – 4? Почему девочки рождаются на неделю раньше мальчиков, с костным возрастом на месяц старше, половая зрелость раньше на 2 г, остановка роста на 3 г? Почему у крупных форм всегда крупнее самцы, у мелких – самки? Почему у самцов лягушек 8 позвонков, у самок 10, у самцов крабов 1-2 пары брюшных ног, у самок – 3-4 (шла редукция), а у змей-гигантов, должно быть, наоборот, у самцов больше (шёл рост, ~ 450), чем у самок? Почему из 30 генов окраски самцов гуппи только один в аутосоме, 29 в Y-хр? Почему обезьяны корм берут чаще левой рукой, шпингалет открывают только – правой? Почему у многих видов левая сторона эмбриона развивается раньше правой? Почему хватательный рефлекс сильнее у женщин и слева, а 92% эмбрионов сосут большой палец правой руки? Почему селекционные качества у всех с/х животных и растений лучше у мужского пола? Почему у покрытосеменных растений женский гаметофит (шла редукция) ещё из 8 кл, мужской уже из 3-х?

5. Такая логика легко и просто объясняет и геномный импринтинг и реципрокные эффекты. Никаких великих и эпохальных загадок нет давно. Оба – эволюционный половой диморфизм, временнàя асимметрия родителей, т.е. дихронизм, идея которой была вскрыта в 1965 г, а суть родительских эффектов в 1979 и 1981 на старых и новых признаках коров, кур и свиней [1,2,3]. Было по- казано, что генотипическая “удойность” быков и “яйценоскость” петухов все- гда выше, чем у коров и кур тех же пород. А на свиньях беконной породы ландрас, по всем признакам селекции: длине тела, оплаты корма и скороспелости – чётко выраженный отцовский эффект.

Геном любой самки состоит из С+nАА, любого самца – nАА+Н где С –старые гены, Н – новые, n – число пар аутосом в геноме. Тогда, у трех зигот в опытах [6,7] состав генов: ♀+♂=С+nАА+Н, ♀+♀=2С+nАА, ♂+♂=2Н+nАА.

Хромосомная формула мула: л+♂ол+лАоо, лошака: о+♂ло+nАоАл+Нл, а т.к. при дивергентной эволюции старые гены одинаковы: Сл≈Со≈Ст, а новые разные: НоНл, то оба попадают в породу отца. А при конвергентной эволюции, наоборот, С1С2, а Н1Н2, – в породу матери.

Значит, и в [6,7] и в реципрокных эффектах все дело в старых и новых генах.

Тогда совершенно очевидно, что загадка геномного импринтинга, не что иное как: удвоенные старые гены матери или удвоенные новые отца, т.е. двойной эволюционный половой диморфизм. Число и соотношение 3-х типов генов: С, АА, Н зависит от экологической ниши вида. Чем стабильнее среда, тем меньше Н/(С+nАА), и наоборот. Если популяция, долго живет в стабильной среде, у неё все новые гены станут аутосомными, а старые – останутся, т.к. без них невозможно повторение филогенеза в каждом онтогенезе. В такой популя- ции будет только материнский эффект.

6. Дихронизм проливает свет на ещё одну важную загадку, открытую в программе “Геном человека” – Y-хр. В заключительном абзаце “Генетические и биологические различия между полами,” статьи международная группа из 40 авторов, определив полную последовательность пар нуклеотидов одной Y-хр одного мужчины (Дж. Уотсона), пишет, что геномы двух случайно выбранных женщин или мужчин на 99,9% идентично по нуклеотидам. Но если сравнить женщину с мужчиной, то вторая Х-хр, 160 Mb (megabases), или ~ 3% от диплоидного ДНК, вместо маленькой Y-хр, 60 Mb, или ~ 1 %, то по сравнению с этой разницей, общий полиморфизм окажется карликом. (если 1 % – 60 Mb, то 3 % д.б. 180 Mb, иначе сумма не будет 100 %, я позволил себе для простоты и наглядности ввести эту поправку). Так как в геноме человека ~ 6.000 Mb, (100%), аутосомные гены составляют ~ 95%, или ~ 5.700 Mb. Значит в женском ге- номе XX ~ 6%, в мужском XY ~ 4%, т.е. в XX 1,5 раза больше генов, чем в XY. Если считать, что число женщин и мужчин равно, что поток генов через геном стационарный (архивкарантину), то доадамовых (древних) генов ~ 2,5%, т.е. ~ 5 раз больше емкости Y-хр, то получим баланс по парам оснований. Но тут гораздо важнее не количество, а качество, что 0,5% в Y-хр – это новые (будущие) гены, а 2,5% в женской мит-ДНК (или в Х-хр) – это древние (прошлые) гены. Стало быть, партитура генов матери и отца в эмбриогенезе из 3-х актов: 1. Соло генов матери (3%), 2. Дует генов матери и отца (95%) 3.

Соло генов отца (2%). Плавный переход от генов матери к генам отца. Это и есть самое простое и логичное объяснение загадки плаценты!

А в самом конце статьи авторы пишут: “Переведя эти знания в понимание мириад различий между полами в анатомии, физиологии, творчестве, поведении и подверженности болезням, сможем бросить монументальный вызов широчайшего значения и интереса”. Я думаю, для реализации этой мечты, необходимо понимание эволюционной логики пола, а редукционный путь не может привести к этому. На уровне молекул и атомов нельзя понять роль почек в организме (или аккумулятора в автомобиле). Наоборот, надо подняться на уровень организма и популяции, тогда мы опять придём к дихронной эволюции.

7. Итак, дихронизм позволяет объяснять с единой позиции не только опыты [6,7], геномный импринтинг, реципрокные эффекты, роль СН3, и многие другие загадки эпигенетики. А также группу изоморфных явлений, в которых появление двух сред приводит к возникновению второго “экологического” (мужского) пола, скажем, система мелких и крупных самцов у лососей, пауков, пчёл, (муравьев?), или речных рыб-вегетарианцев, дивергирующих в озёрах на илоедов и хищников, и предсказывать новые явления. Поэтому девальвация базовых понятий генетики, “экологии”, эволюции в 20 в – это кризис всех трех ветвей биологии (классической, медицинской, молекулярной). Чтобы сохранить менделизм, дарвинизм и теорию асимметрии нужна смена парадигмы синхронной эволюции на дихронную. И чем раньше мы это поймем и сделаем, тем лучше. Как гласит восточная пословица, когда караван поворачивает вспять, хромой верблюд (теоретическая биология 20 века) оказывается впереди.

8. Одно из главных, что эволюционно новые гены в начале только у мужского пола (карантин) поэтому от отца получают их только сыновья, а старые – нужны и дочерям (с правом передачи) и сыновьям (без) и только у женского, получают от матери.

Сокращения. хр – хромосома. АА – аутосомы пара гомологов. БСД – бинарно сопряженная дифференциация. ЭТП – Эволюционная теория пола. л – лошадь, о – осёл, т – тарпан.

Литература:

1. Алтухов Ю.П. //ДАН СССР. 1996. Т. 348. № 6. С. 842-845

2. Геодакян В.А. //Пробл. передачи информации. 1965. Т. 1, № 1. С. 105-113.

3. Геодакян В.А. //ДАН СССР. 1979.Т. 248. № 1. С. 230-234.

4. Геодакян В.А. //ЖОБ. 1981. Т.42. № 5. С.657-668.

5. Геодакян В.А. //Изв. РАН. Сер. биол. 2000. № 2, С. 133-148.

6. Геодакян В.А. //Усп. физиол. наук. 2005. Т.36. № 1. С.24-53.

7. Кутмин А.И. //Журн. общ. Биол. 2006. Т. 67. № 5. С. 361-375.

8. Haig D., Westoby M. //American Naturalist. 1989. V. 134. P. 147-155.

9. Pagel M. //Nature. 1999 V. 397. P. 19-20.

10. McGrath J., Solter D. //Cell. 1984. V. 37. P. 179-183.

11. Skaletsky H. et al. //Nature. 2003. V. 423. P. 825-837.

12. Surani M.A.H. et al. //Nature. 1984. V. 308. P. 548-550.

13. Wolf J.B., Hager R. //PLoS Biology, 2006. 4(12): e380. DOI:10.1371/journal.pbio.0040380

14. www.geodakian.com

Комментарии и пинги к записи запрещены.

Комментарии закрыты.

Дизайн: Polepin