Самый масштабный эволюционный эксперимент
На телеканале "Наука 2.0" в передаче "Агрессивная среда" вышел сюжет (с 13.10) про эксперимент с лисами академика Беляева. На мой взгляд, один из наиболее удачных сюжетов на эту тему.
На телеканале "Наука 2.0" в передаче "Агрессивная среда" вышел сюжет (с 13.10) про эксперимент с лисами академика Беляева. На мой взгляд, один из наиболее удачных сюжетов на эту тему.
Немного про популяризацию научных знаний с помощью кошек...
– Если бы Грегор Мендель, отец-основатель генетики, проводил свои исследования на кошках, он наверняка сразу бы привлек внимание к своей работе, а не тридцать лет спустя. Но Мендель занимался горохом. А кому интересен какой-то горох? Кошки – другое дело. Кошки интересуют всех...
С такой ремарки начал свое выступление перед юннатами заведующий лабораторией рекомбинационного и сегрегационного анализа Института цитологии и генетики СО РАН Павел Бородин. Напомню, что в ноябре этого года в ИЦиГ СО РАН состоялась Пятая Сибирская межрегиональная конференция «Экологическое воспитание в проектно-исследовательской деятельности юннатов». В рамках конференции было запланировано несколько популярных лекций для детей от ведущих ученых Института. Одна из них как раз была посвящена генетике кошек. По сути, на примере домашних любимцев подросткам популярно разъяснили «работу» конкретных генов, влияющих на окрас шерсти животных. Если хотите, это была своего рода «вводная» в тему генетики как таковой.
Почему именно кошки? Павел Бородин пояснил:
«Очень сложно изучать генетику синиц, поскольку с виду они все одинаковы. Можно, конечно, изучить, как там меняются размеры, вес, но для этого необходимо сюда как-то вмешиваться. На кошках это делается довольно просто, потому что они очень разные. Сейчас известно около семидесяти пород. Но даже без всяких пород, когда вы просто видите их на улицах, вы замечаете, что они очень разные по двум показателям: по окраске и по длине шерсти. И всё это контролируется отдельными генами, которые мы можем изучать».
Как приложить законы Менделя к кошкам? Очень просто. Если мы берем серого кота и скрещиваем его с черной кошкой (или наоборот: черную кошку с серым котом), то каких потомков мы получим (при условии, что у серой особи в течение многих поколений все предки были серыми)? «Люди всегда думали, - разъясняет Павел Бородин, - что потомки здесь будут какими-то средними. Нет. Как показал Мендель, и как мы знаем сейчас, все потомки в первом поколении будут одинаковы, и будут они похожи на одного из родителей. Тот признак, который проявляется у потомков первого поколения, называется доминантным. В данном случае доминантной будет серая окраска.
А что произойдет, если мы скрестим друг с другом потомков первого поколения? Здесь, по словам Павла Бородина, начинается «замечательная теория вероятности» - начинается комбинаторика. Скажем, на три серых потомка будет один черный. То есть черный потомок может появиться у двух серых родителей. «До Менделя это было мистикой, а теперь мы уже знаем, как это происходит. Потому что гены черной окраски, которые не проявлялись у родителей, проявились у их потомка. Это второй закон Менделя», - заметил ученый.
Интерес к таким темам у юных натуралистов был совершенно искренним Как вообще формируется окраска у кошек, как с этим связано влияние генов? «Теперь мы уже знаем, - говорит Павел Бородин, - на какой хромосоме находится тот ген, который определяет окраску». Например, ген, определяющий мраморный окрас, находится на второй хромосоме. Также известно, где находится ген, определяющий белую окраску или ген, определяющий полное отсутствие полос. Это всё стало известно после расшифровки полной последовательности генома кошки. Причем оказалось, что у нее столько же генов, сколько их у человека – 25 тысяч.
«Работа» гена, определяющего окраску, была разобрана на конкретном примере – на котах сиамской породы. Здесь, отметил Павел Бородин, происходит весьма интересный биохимический процесс в тех клетках, от которых зависит окраска. Туда, объясняет ученый, поступает тирозин (особая аминокислота), которую кошки получают с пищей. «Этот путь, - уточняет он, - одинаков у всех млекопитающих, в том числе и у людей. Для того, чтобы у нас волосы имели окраску, чтобы глаза у нас были хоть какого-то цвета, требуется, чтобы тирозин превращался в этой длинной цепи в меланин. Ферментом синтеза меланинов является фермент тирозиназа, превращающий тирозин в следующий каскад». Тирозиназа – это белок, складывающийся из определенной последовательности аминокислот, которых в нем содержится около шести сотен.
Какое это имеет отношение к окраске сиамских котов? Всё очень просто. Если в указанном белке слегка заменить последовательность аминокислот, то он станет немного другим. Когда в 422-й позиции происходит замена одного кодирующего элемента ДНК на другой, мы получаем мутацию, приводящую к тому, что белок становится чуть-чуть короче. В этом случае тирозиназа продолжает «работать», но «работает» она уже только при пониженной температуре.
Именно поэтому у сиамских котов окраска получается на тех участках тела, где температура слегка понижена естественным образом. То есть на лапах, на морде, на ушах, на хвосте. В тех местах, где нормальная температура, окраска не формируется. А всё из-за того, что вследствие мутации фермент приобрел чуть-чуть другую форму.
Поэтому и процесс идет немного по-другому. Он становится температурно зависимым. И всё это произошло от одной-единственной замены. Если же вовсе нарушить этот белок, то тогда перестанет происходить превращение тирозина в меланин, и кошки окажутся абсолютно белыми.
А как получаются кошки с белыми пятнами? Здесь, говорит Павел Бородин, нам придется вспомнить про эмбриологию – как развиваются зародыши. В развивающемся организме всё это очень интересно устроено. Те клетки, которые должны впоследствии работать на синтез пигмента, у самых ранних эмбрионов находятся вдоль хорды. Отсюда они начинают перемещаться по телу эмбриона, передвигаясь в кожу. Если есть мутация, тормозящая движение этих клеток, то она приводит к тому, что указанные клетки не доходят до определенных участков, где мы как раз и увидим белую окраску. Так, например, у черного кота появится белый «галстучек». У кошек, заметил Павел Бородин, может быть разная плотность тканей, через которые «пробираются» эти самые клетки, и поэтому мы имеем огромную вариацию белых пятен – и «галстучки», и «воротнички» и прочее.
Правда, мы еще знаем далеко не все механизмы образования окраски. Как взаимодействуют гены, когда, например, получается мраморная окраска (встречающаяся, кстати, только у домашних кошек)? Пока мы еще точно не знаем, честно признался ученый.
Хотя, заметим от себя, в недалеком будущем это наверняка станет известно. Наука ведь не стоит на месте. А если учесть подрастающую смену, то сомневаться в новых открытиях не приходится. Ведь интерес к таким темам у юных натуралистов был совершенно искренним. И совсем не исключено, что новые открытия в этой области сделают как раз те ребята, которые сегодня постигают азы генетики в такой популярной форме. Наверняка прослушанная лекция о кошках кого-то из них обязательно «зацепит» и укажет дорогу в увлекательный мир будущей профессии.
Олег Носков
В последние годы в биологии заметно возрос объем данных, получаемых в ходе исследовательской работы, причем речь идет о весьма разнородной информации. Естественно, что это порождает новые подходы к работе с этими массивами информации, которые с полным правом можно назвать Big data.
Долгое время в системной биологии при изучении живых систем преобладал редукционистский подход: строились отдельные модели биохимических реакций, отдельные модели взаимной регуляции работы генов и т.д. То есть, система рассматривалась на отдельных уровнях биологической организации. Но еще в прошлом веке была сформирована концепция описания клеток в виде молекулярно-генетических систем. Отметим, что в ИЦиГ ещё в 60-70-х годах прошлого века профессором В.А. Ратнером была предложена расширенная концепция «молекулярно-генетических систем управления», развитая затем научной школой академика Н.А. Колчанова до теории «генных сетей». Эта концепция подразумевает, что гены очень тесно взаимодействуют между собой, образуя сети, причём именно генные сети, а не отдельные гены контролируют фенотипические признаки организмов и их метаболические системы, реализуя информацию, закодированную в геноме. А потому все уровни биологической организации – отдельные «слои» процессов, происходящих внутри клетки, – надо рассматривать взаимосвязанно, что и является предметом исследований современной системной биологии и биоинформатики, работы по которым ведутся и в ИЦиГ.
– Такой подход позволяет извлекать новую информацию даже из ранее изученных по отдельности данных, – отмечает ведущий научный сотрудник сектора компьютерного анализа и моделирования биологических систем, к.б.н. Сергей Лашин. – Когда мы связываем эти данные послойно на едином «остове» генной сети, взаимосвязь различных процессов в клетке, которые часто изучали независимые группы ученых, становится заметной и доступной для дальнейшего анализа.
Естественно, что для такой исследовательской работы требуется специфический инструментарий (программное обеспечение), его созданием и занимаются новосибирские ученые. За основу взяли бурно развивающуюся и популярную у биологов систему по анализу биологических сетей Cytoscape, которая считается стандартом для работы с различными биологическими сетями.
– Мы создали компьютерную программу для анализа генных сетей на основе эволюционных характеристик генов. И когда просмотрели Cytoscape-приложения, предназначенные для эволюционного анализа генных сетей, то с удивлением обнаружили, что наша работа оказалась первой, – рассказал аспирант сектора компьютерного анализа и моделирования биологических систем ИЦиГ Захар Мустафин.
Что же подразумевается под эволюционными характеристиками генов? Сравнивая геномы различных организмов (а их с каждым годом становится все больше), ученые отслеживают родственные гены (схожие по строению, но с возможными различиями по функциям) и сопоставляют их роль в генных сетях. Такое сопоставление родственных генов в геномах различных организмов позволяет отследить момент в эволюционной истории живых организмов, когда эти гены возникли, т.е. определить возраст гена.
– Подобный анализ в масштабе генных сетей первыми применили мы, – подчеркнул Сергей Лашин. – Причем, мы использовали его для изучения как макроэволюционных (возраст гена), так и микроэволюционных (индекс отбора или интенсивность мутаций у современных организмов) характеристик генов.
Возраст гена показывает, на какой стадии эволюции («ветви таксономического дерева») возник тот или иной ген: одни гены-гомологи встречаются только у высших приматов, другие – у всех млекопитающих, третьи – вообще у всех клеточных организмов и т.д. Для изучения индекса отбора, берут гены только близкородственных организмов (например, человека и человекообразных обезьян) и смотрят, как именно в ходе эволюции изменились одни и те же гены, их функции и роль в генных сетях.
Новую систему уже успешно «обкатывают» несколько групп исследователей.
В частности, с её помощью оценили «эволюционный возраст» болезней, связанных с теми или иными генными сетями (таких известно более семидесяти). Оказалось, в развитии алкоголизма и никотиновой зависимости участвуют довольно древние гены, которые появились около 410 млн лет назад (что соответствует времени возникновения насекомых).
А вот в патогенезе астмы и ряда других автоиммунных заболеваний задействованы гены, большая часть из которых появились либо около 160 млн лет назад, одновременно с возникновением плацентарных млекопитающих, либо ещё позже, около 55 млн лет назад, с возникновением приматов.
В другом исследовании разработанная программа используется для создания более полной картины генетических механизмов, «запускающих» болезнь Паркинсона. И этими примерами область применения предложенной разработки, как в ИЦиГ, так и в других научных центрах, не ограничивается.
Тем временем, сами разработчики заняты не только доработкой существующей программы, но и созданием новых ее модификаций, которые позволят осуществлять анализ генных сетей по другим параметрам. В перспективе эта работа может привести к созданию самостоятельной многослойной платформы, которая будет приспособлена для работы именно с генными сетями.
http://academcity.org/content/genetiki-izmerili-evolyucionny...