Глава 4. Обобщенная концепция генома. Облигатно-факультативный принцип структуры и функции

О семантической динамике понятий

Примеры из генетики

Семантическое поле понятий непрерывно меняется по мере изучения определенного явления или феномена. "Самый факт описания превращает динамический объект в статическую модель. ... В процессе структурного описания объект не только упрощается, но доорганизуется, становится более жестко организованным, чем на самом деле", — так определил трудность и опасность научного описания философ и культуролог Ю. М. Лотман (цит. по: Баранцев, 1994). В рамках философии науки и гносеологии рождается семиодинамика — ветвь знаний, которая анализирует сложный процесс динамики понятий и представлений и их соотнесения с реальностью (см. Семиодинамика, 1994).

Достижение полноты описания явления основано на равноправии и единстве трех способов познания: рациональном, сенситивном и интуитивном. Сознательное стремление использовать все эти три стороны мышления человека для постижения целою символизировано в системной триаде "субстанция — анализ — качество'' или "интуицио — рацио — эмоцио" (Баранцев, 1994).

Эта исходная позиция позволяет ориентироваться в динамике понятий в области биологии, объекты которой, начиная с клетки, поражают своей сложностью, целостностью и телеономичностью. Испытание временем обычно выдерживают относительно размытые, семантически мягкие (выражение Р. Г. Баранцева) понятия, которые в момент своего возникновения не стремятся сразу к точности, рискуя утратить в правильности, полноте описания. Лучшим примером является понятие "ген", семантическая эволюция которого прослежена выше.

Конкретное материальное воплощение или инкарнация термина "ген" все время менялось и меняется. Инвариантным оставалось и остается выражаемое им свойство дискретности генотипа. Справедливо замечено, что экспериментаторов "привлекают термины, по историческим причинам обладающие большей амбивалентностью значения, как например, "ген" или "локус" (Сойдла Т. Р., 1976). Понятие "ген" используется ныне для обозначения единиц транскрипции или трансляции, либо соответствует единицам, выявленным функциональным тестом на аллелизм. Семантика термина "локус" также претерпела дрейф: от первоначального обозначения места гена на хромосоме до обозначения любой дискретной генетической единицы в группе сцепления или хромосоме.

4.2. О понятиях "наследственность", "генотип" и "геном"

Согласование взглядов классической и современной генетики требует вновь обсуждения смысла основных понятий генетики. Наряду с геном В. Иогансен ввел термин "генотип" для обозначения генетической конституции зиготы или гаметы. Поразительно, но для В. Иогансена уже в начале века был свойственен целостный подход. Вновь уместно– привести его предупреждение, что "живой организм нужно понимать как ц е л у ю с и с т е м у, не только во взрослом состоянии, ной в течение всего его развития... Было бы н е п р а в и л ь н ы м предполагать бесконечную расчленяемость фенотипа живого организма на отдельные элементы, отдельные явления, т. е. на простые "фены" (Иогансен, 1933, с. 124).

Генотип зиготы, пояснял далее Иогансен, обусловливает все возможности развития особи и определяет "норму реакции данного организма". В генанализе термин "генотип" стал употребляться и в более узком смысле для обозначения перечня генов с аллелями, генетической формулы организмов в отношении определенных признаков.

В более широком смысле под генотипом часто понимают всю наследственную систему. Он соответствует свойству клеток и организмов обеспечивать структурную и функциональную преемственность между поколениями и специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды (Лобашев М. Е., 1967, с. 12). В данном определении сохраняется традиция системности В. Иогансена. Подчеркивается при этом, что важна передача не только структурной, но и функциональной преемственности.

Любая наследственная система должна рассматриваться в трех аспектах: материальные носители, характер их взаимодействия между собой и определенность конечного результата (аспект целостности). Из такого системного подхода следует важный вывод: если завтра будет известна полная последовательность ДНК данного организма, этих сведений будет недостаточно для понимания того, как же функционирует эта структура. Необходимо знать характер связей между генами, изменчивость нормы реакции, условия онтогенеза, т. е. динамический аспект организации генотипа.

В 1929 г. Ю. А. Филипченко в осторожной форме высказал пророческую мысль, что "было бы неправильно видеть в связи между хромосомами и носителями наследственных свойств нечто обязательное... Ведь помимо материальной возможна и чисто динамическая связь" (Филипченко, 1929, с. 22). Смысл этой динамической связи стал проясняться после открытия Жакобом и Моно генов-регуляторов, а также в ходе исследований по эпигенетической наследственности.

Очевидно, что существуют не только структурные, но и динамические способы кодирования, хранения и передачи наследственной информации. Все эти три аспекта надо иметь в виду, когда речь идет о наследственной памяти или о структурной и функциональной преемственности. Семантика понятия "наследственность" (heredity) существенно изменилась, если сравнить издания генетического словаря 1958 и 1976 годов Ригер А., Михаелис М., (1967); A. Rieger, M. Michaelis, M. Green, (1976). В последнем издании доминирует информационный подход с указанием на основные матричные процессы: "Наследственность — это процесс, который обуславливает биологическое сходство родителей и потомков. Он включает сохранение специфичности в ходе репликации генетического материала (хранение генетической информации) и осуществляется путем транскрипции и трансляции генетической информации. Генетика — это наука о наследственности" (Riegei A., Michaelis M., Green M., 1976, с. 267). Заметим, что английский термин "heredity" соответствует русскому "наследственность", а термин "inheritance" следует переводить как "наследование". Оба термина семантически близки, но не синонимичны, хотя иногда употребляется взаимозаменимо.

Теперь рассмотрим семантическую динамику понятия геном. Впервые цитогенетик Г. Винклер в 1920 г. ввел термин геном для обозначения специфичного для каждого вида гаплоидного набора хромосом. В этом смысле говорят, например, о геномном анализе аллополиплоидных форм, выясняя происхождение мутаций или о геномных мутациях, когда происходит изменение гаплоидного числа хромосом. До недавнего времени термин геном использовался в двух смыслах. У эукариот геном соответствует гаплоидному набору хромосом с локализованными в нем генами. Генетики бактерий и вирусов стали употреблять термин геном для обозначения совокупности наследственных факторов одной "хромосомы" или группы сцепления прокариот.

Когда молекулярный генетик говорит о содержании ДНК генома, то обычно подразумевается либо ДНК одной генонемы прокариот, либо ДНК гаплоидного набора хромосом ядра. Имея в виду С-парадокс и что гены с их регуляторными последовательностями представляют как бы "острова в океане не генной, не информационной ДНК, А. П. Акифьев (1995) предлагает ввести термин основной геном или "базигеном" для обозначения минимума кодирующих и регуляторных последовательностей, которые необходимы клеткам полового пути для выполнения своих функций. У человека базигеном составляет около семи процентов его ДНК, а у амфибий менее процента. Согласно предположению А. П. Акифьева, хромосомы эукариот цитологически стабильны, если их критическая масса превышает 12–15 миллионов пар оснований. Критическая масса достигается наращиванием, амплификацией негенных последовательностей.

Интересна интерференция двух основных терминов генетики в подходе А. П. Акифьева (1995, с. 31), "геном — это вся ДНК хромосом, как бы вытянутая в одну нить, тогда как генотип — лишь часть генома". При этом к генотипу А. П. Акифьев относит лишь кодирующую и регуляторную часть генетического материала. Однако и исторически, и семантически термин "генотип" древнее и имеет более широкое генетическое толкование. Генотипические различия между двумя типами клеток или двумя организмами могут быть связаны со структурными изменениями самых разных частей генома, как ядерных, так и цитоплазматических, и не только с ними.

В генетике бактерий семантика термина геном претерпела дрейф в сторону обозначения всей наследственной конституции клетки, включая самые разные внехромосомные факультативные элементы (Прозоров, 1995). Постепенно в этом смысле термин геном стали употреблять и в генетике эукариот. Капитальная сводка Р. Б. Хесина (1984) названа "Непостоянство генома". В ней рассматривается непостоянство не только генетических ядерных элементов-хромосом, но и наследование через цитоплазму, генетические свойства плазмид, органелл и, как сказано в предисловии, самые разные аспекты "немутационной изменчивости".

В данной работе мы будем пользоваться расширительным смыслом термина геном, закрепленным в сводке Р. Б. Хесина (1984), подразумевая под этим у эукариот всю совокупность ядерных и цитоплазматических ДНК и РНК носителей с локализованными в них генетическими элементами, включая определенные функциональные (эпигенетические) связи между этими элементами. Иными словами, под геномом имплицитно подразумевается вся наследственная система клетки. Термины геном и генотип стали в этом расширительном смысле семантически близки, отчасти синонимичны.

Наследственная система или геном клетки эукариот слагается из двух полуавтономных структурных подсистем — ядерной и цитоплазматической.

Совокупность наследственных структур и локализованных в них наследственных факторов ядра иногда обозначают термином нуклеотип, а совокупность цитоплазматических наследственных факторов — цитотип (Лобашев, 1967, с. 544). Эти две подсистемы полуавтономны и находятся в структурном и функциональном взаимодействии, что вербализуется термином "система генотипа". С точки зрения функциональной генотип надо понимать как систему взаимодействующих генов (Лобашев, М. Е., 1967). И эта системность, как справедливо замечено, отражается уже в общепринятом обозначении гетерозиготы Аа с делением аллелей на доминантные и рецессивные. Уже это отражает результат их взаимодействия в системе генотипа (Инге-Вечтомов, 1976).

Системные свойства клетки

Аппарат наследственности не существует сам по себе, а лишь как часть клетки. Наследственность — это прежде всего свойство клеток. Поэтому для понимания организации и функционирования генома необходимо обсудить системные свойства клетки.

В. Я. Александров (1985) дал общее определение клетки, которое справедливо и для прокариот, и для эукариот: "Клетка — это элементарная живая самовоспроизводящаяся система, ограниченная избирательно проницаемой мембраной, содержащая генетическую информацию своего вида и механизмы, синтезирующие пластические вещества, а также богатые энергией соединения для обеспечения клеточного метаболизма".

Среди основных особенностей клетки В. Я. Александров называет прежде всего две, очень важные и в контексте организации генома. А. Процессы, протекающие в клетках, имеют биологическую целенаправленность, которая особо ярко проявляется при отклонениях параметров среды от нормы: клетки способны к адаптации, а при повреждении — к репарации нарушенных функций и структур. Б. Осуществление биологических целенаправленных процессов предполагает наличие совершенной системы регуляции и координации отдельных звеньев метаболизма и состояний клеточных компонентов (Александров, 1985, с. 13). Это свойство целенаправленности биологических систем было обозначено как телеономия, в отличие от аристотелевского термина "телеология", имеющего оттенок действующей финальной причины, цели или конечного состояния. Согласно К. Уоддингтону (1970), термин "телеономия" для обозначения закономерного хода биологических процессов предложил в 1958 г. Colin Pittendrigh.

Биологические системы (от белков и нуклеопротеидных комплексов, хромосом до генома в целом, клеток и организмов) подразделены на элементы, связи между которыми не жестко зафиксированы, но лабильны. В силу этого живым системам в принципе присуща способность реагировать на действие физиологических факторов и повреждающих агентов как специфичным, так и неспецифичным образом. Неспецифическое реагирование основано либо на связи элементов между собой, либо на их связи с тем элементом, который определяет ответ клетки.

Общий принцип организации биологических систем на всех уровнях — макромолекулярном, клеточном, организменном, состоит, согласно В. Я. Александрову, в том, что эти системы подразделены на качественно отличные компоненты, "различающиеся по устойчивости к действию внешних агентов, объединенные в целостные телеономические системы взаимодействием прочных... и разнообразных слабых лабильных связей". Сходство принципов организации предопределяет сходные черты биологических систем в их реакции на внешние воздействия.

Реакция в ответ на действия внешних раздражителей и повреждающих агентов всегда сочетает специфические и неспецифические ответы. Прекрасный пример этих общих положений представляет запрограммированная в геноме бактерий система быстрого реагирования на повреждение клетки или так называемая SOS-система. В ответ на любое повреждение, приводящее к избытку одноцепочечных участков ДНК, происходит активация транскрипции более 15 генов, участвующих в репарации генетической системы бактериальной клетки. Эта реакция целостная и неспецифичная. Она включает один сенсорный ген Rec-A, который в ответ на повреждение в ДНК меняет свою кон–формацию и становится способным расщеплять продукт гена-репрессора lex, который в норме блокирует серию репарационных генов (Льюин, 1987; Хесин, 1984).

Современное представление о клетке как о единице жизни существенным образом отличается от того, которое было еще в начале века. Примерно каждые десять лет в клетке открываются новые надмолекулярные структуры, включая новые органеллы, как, например, лизосомы, пероксисомы, информосомы, нуклеосомы и т. д. Структура и функция мембран остается мало исследованной. Недаром Александров, как бы подытоживая свои 60-летние исследования клеточной цитофизиологии, пишет в предисловии своей книги, что клетка для него становилась все более загадочной и непонятной. А "под конец стало казаться, будто клетка, по мере ее изучения, сама себя усложняет, чтобы остаться непознанной" (Александров, 1985, с. 5).

Становится очевидно, что способность к целесообразному реагированию присуща клетке как таковой, имманентна. Данное свойство возникло тогда, когда возникла живая клетка, а не есть результат естественного отбора. Это, видимо, следует принять как постулат. Так и сделал Л. С. Берг в концепции номогенеза, приняв, что целесообразное реагирование есть имманентное свойство живой системы, сопоставимое с самовоспроизведением (Берг Л. С., 1977). Это свойство может усовершенствоваться в процессе эволюции, но в потенции оно возникло, видимо, с жизнью и неотделимо от нее.

Признание изначальной целесообразности, телеономичности в организации живых систем вовсе не означает отказа от их изучения. Напротив, оно указывает на эффективность номотетического, а не только исторического подхода. На самом первичном уровне под целесообразностью можно понимать сохранение гомеостаза. Под. клеточным го-меостазом понимается поддержание внутренних параметров клетки в пределах нормы. Клеточная система динамична, ее компоненты с большей или меньшей скоростью постоянно деградируют и одновременно восстанавливаются. Клетка находится в стационарном состоянии, но не в состоянии равновесия, а скорее в состоянии стабильной нестабильности (Александров, 1985).

В согласии с выводом биологов можно привести вывод специалиста по теории систем, который выделяет (Моисеев, 1981) "одно свойство присущее всему живому — устойчивость, стремление к сохранению гомеостаза, порождающее гигантскую систему обратных связей. С таких позиций возникновение обратных связей по своему существу тождественно возникновению жизни. Однако об этом этапе материи мы пока ничего не знаем. Давайте примем как аксиому то, что вместе с жизнью роз/сдается способность к целесообразному поведению".