Механизм модификаций. 
Генетика

Модификационные изменения традиционно противопоставляют мутациям, поскольку мутации — это результат нарушения процессов воспроизведения генов, а модификации — результат изменения генов.

С учетом особенностей модификационной изменчивости при ее изучении необходимо соблюдать некоторые общие правила:

• 1. Исходный материал должен быть генотипически однороден.
• 2. Следует охарактеризовать норму реакции исследуемой линии, культуры, клона на применяемые воздействия.
• 3. Необходима статистическая обработка материала, при которой учитываются варьирование признака в контрольном и опытном вариантах и воспроизводимость результатов при повторных опытах.
• 4. Должны быть проанализированы наблюдаемые изменения: их обратимость в онтогенезе, проявление в последующих поколениях для различения мутаций и модификаций.

Несоблюдение этих правил приводит к невозможности интерпретировать результаты.

Причины модификационных изменений, особенно адаптивных модификаций, следует искать в механизмах регуляции действия генов. Очевидно, индукция адаптивных ферментов, регулируемых по оперонной схеме у бактерий, представляет пример адаптивной модификации. Действительно, адаптация клеток Е. coli к лактозе как новому субстрату представляет модификационное изменение в пределах нормы реакции клетки.

Как показал в 1962 г. Ф. Ритосса, в гигантских хромосомах личинок дрозофилы в результате реакции на резкие температурные воздействия (37 °С), а также на действие многих других повреждающих агентов образуется специфический набор пуфов. Этих пуфов немного: от 5 до 10 у разных видов Drosophila. Они возникают в течение первой минуты после воздействия на личинок или изолированные слюнные железы. Пуфы имеют повышенную транскрипционную активность: к ним направляются молекулы РНК-полимеразы П и белки, дестабилизирующие двойную спираль ДНК. В пуфах теплового шока уменьшается количество гистона Н1. Все это согласуется с представлениями о том, что синдром теплового шока затрагивает уровень транскрипции.

Через 30−40 мин после воздействия величина пуфов уменьшается; если раньше понизить температуру, то этот процесс ускорится. Пуфы теплового шока не удается индуцировать на изолированных ядрах, и в то же время они образуются, если ядра из непрогрегых клеток слюнных желез инкубировать вместе с цитоплазмой клеток, подвергнутых тепловому шоку.

Во всех клетках организма при тепловом шоке идут сходные (возможно, и одинаковые) процессы, о чем можно судить по активации в них одних и тех же генов: появляются одни и те же белки и иРНК. Реакция теплового шока развивается у дрозофилы при действии многих повреждающих агентов, например антибиотика антимицина А, азида натрия гидроксиламина, колхицина, хлорида аммония и др.

Характерная черта реакции на тепловой шок — уменьшение пуфов, присутствовавших в политенных хромосомах до нагревания. При этом прекращается синтез ранее синтезировавшихся иРНК, а транскрипция генов гистонов, рРНК, тРНК и генов митохондрий сохраняется на прежнем уровне. Правда, наблюдаются нарушения созревания 18S, 28S и 5S рРНК.

Трансляция в клетках организма, подвергнутого тепловому шоку, переключается со старых иРНК на новые иРНК, синтезированные в результате реакции на повреждающее воздействие. Старые полисомы разрушаются, и образуются новые. Продуктами этих полисом у D. melanogaster служат восемь основных белков теплового шока. Через 6−8 ч после начала прогревания они составляют до 10% всего белка клетки.

Если синтез белков теплового шока подавить при повышении температуры, то после снижения температуры клетка не может вернуться к синтезу нормальных белков. Это указывает на адаптивный характер синдрома теплового шока. Сами белки теплового шока обнаруживают повышенное сродство к хроматину. Они мигрируют в ядро и связываются с хромосомами преимущественно в районах расположения эухроматина.

О важной роли белков теплового шока свидетельствует и высокий уровень их эволюционной консервативности. Так, ген дрозофилы, кодирующий белок теплового шока массой 70 000 Д, был клонирован и обнаружил гомологию в опытах по гибридизации с ДНК человека, мыши, курицы, ящериц, дрожжей и кукурузы. У всех этих организмов и ряда других были обнаружены белки теплового шока, аналогичные таковым D. melanogaster.

В настоящее время еще не ясны те регуляторные механизмы, которые запускаются в клетках при повышении температуры и других воздействиях, вызывающих синдром теплового шока, но, очевидно, обнаружен еще один универсальный генетический механизм — механизм неспецифических адаптивных модификаций.

Причины модификаций, по-видимому, не сводятся только к механизмам репрессий и индукции ферментов. Возможно, существуют и некоторые спонтанные нарушения в действии генов, которые могут быть причинами морфозов и фенокопий. Впервые попытку исследования таких «случайных» модификаций предпринял Б. Л. Астауров в 1927 г. Он исследовал открытую им мутацию tetraptera у D. melanogaster. Эта репрессивная мутация приводит к превращению галтер, или жужжалец, во вторую пару крыльев. Б. Л. Астауров обратил внимание на сильное варьирование в проявлении мутационного признака даже в условиях постоянной среды и гомозиготносги по исследуемому мутантному аллелю. Признак tetraptera варьировал не только от особи к особи: размеры дополнительной пары крыльев были неодинаковы, но наблюдалось различие в его проявлении на левой и правой сторонах тела дрозофилы. На основании полученных результатов исследователь сделал вывод о закономерной неустойчивости в действии гена, экспрессия которого может спонтанно варьировать, и, повидимому, эта неустойчивость служит основой проявления модификаций. Аналогичный пример представляет изучение мутантного признака Ваг у D. melanogaster. Число фасеток в левом и правом глазах дрозофилы также может варьировать. В дальнейшем это явление получило название «шумы индивидуального развития» (developmental noise).

Причиной таких нерегулярных модификаций может быть нарушение экспрессии генетической информации на различных стадиях: от транскрипции до ферментативной реакции белка — генного продукта.

Один из подходов к изучению закономерной неустойчивости в экспрессии генетической информации на уровне трансляции наметился в.

1960;х гг., когда Л. Горини и другие исследовали явление фенотипической супрессии нонсенс-мутаций Е. coli при действии стрептомицина. Этот антибиотик связывается с рибосомами бактерий, что приводит к нарушениям в считывании генетического кода. Результатом этого можег быть фенокопия нормы. Например, некоторые нонсенс-мутанты, несущие нонсенскодоны в гене, контролирующем биосинтез аргинина, могут расти на среде без аргинина, но в присутствии сублетальных доз стрептомицина. Различные мутации, изменяющие белки рибосом, способствуют повышению уровня фенотипической супрессии (белки S4, S5, L7/L12) или его понижению (S12, S17, L6).

Аналогичные результаты получены для дрожжей сахаромицетов при действии аминогликозидного антибиотика паромомицина, также приводящем к фенотипической супрессии нонсенс-аллелей, возникающих в различных генах. У дрожжей фенотипическая супрессия мутаций-нонсенсов происходит при действии таких обычных условий, как понижение температуры с 30 до 20 °C при замене глюкозы на неферментируемые источники углерода (глицерин, этанол или галактоза).

Таким образом, ошибки трансляции, усиливающиеся при некоторых внешних воздействиях, характерны как для прокариот, так и для эукариот и могут быть причинами модификационных изменений — фенокопий нормы.

Другой возможный механизм модификаций — временные ненаследуемые изменения генетического материала, устраняемые затем системами репарации. Так, М. Резник и Р. Холлидей в 1971 г. исследовали синтез индуцируемого фермента нитратредуктазы и гриба Ustilago maidis. Если этот фермент индуцировать у Ustilago maidis непосредственно после облучения гриба ультрафиолетовым светом, то ферментативная активность по сравнению с нормой падает. При этом в клетках синтезируется значительное количество белка, иммунологически родственного нитратредуктазе, но не обладающего ферментативной активностью. Если же перед индукцией фермента после облучения в течение некоторого времени происходит темновая (эксцизионная) репарация, то активность фермента вновь повышается.

Этот эксперимент показывает, что фотопродукты, образующиеся в ДНК, служат причиной снижения активности фермента, появления его аномальных вариантов. Следовательно, подобные изменения оказываются ненаследуемыми, т. е. модификационными.

Подобные ненаследуемые нарушения структуры генетического материала, по-видимому, проявляются в критические периоды индивидуального развития организма, при детерминации клеток. Большинство предмутационных изменений ДНК устраняется системами репарации. Временные, не наследуемые далее повреждения генетического материала могут стать причиной модификаций типа морфозов и других врожденных аномалий развития.