М.Е.Лобашев. Физиологическая гипотеза мутационного процесса

С начала нашего столетия проблема изменчивости была передана в «собственность» вновь народившейся науки — генетики. Это дало чрезвычайно много для самой проблемы. Она встретила достойный прием и стала одной из задач генетики. Но в этом оказался и тормоз для ее разрешения. Монополия одной из биоло­гических дисциплин на проблему изменчивости оттяги­вает ее разрешение, так как одних генетических или других односторонних знании и методов оказывается недостаточно для этого. На современном этапе необхо­дим синтез знаний разных наук для решения любой общебиологической проблемы, а тем более в исследова­нии процессов изменчивости.

 

***

Рассмотрим известные нам факты эксперименталь­ного получения мутаций и попытаемся дать им еди­ную интерпретацию.

Действие радиации

К 40-м годам вышло более 500 работ, посвященных генетическим эффектам ионизирующих излучений (Тимофеев-Ресовский, 1937; Шапиро, Нейгауз, 1938; Керкис, 1940). На основании изучения влияния радиации на генетические явления (мутации) Н. В. Ти­мофеевым-Ресовским совместно с физиками (Zimmer, Delbruck, 1935) была разработана гипотетическая схема мутирования гена, согласно кото­рой ген является сложной молекулой и под мутацией гена понимается пространственная перестройка этой мо­лекулы, изменяющая ее химические свойства. Причиной изменения расположения атомов внутри молекулы могут быть удар электрона или светового кванта или же случайные колебания атома. Для обоснования этой теории использовались следующие доводы: 1) прямая пропорциональность между дозой ионизации и частотой мутаций; 2) независимость этого явления от длины волны излучения; 3) возникновение мутаций в момент ионизации, то есть отсутствие последействия; 4) изме­нение скорости мутирования гена с изменением темпе­ратуры по типу зависимости химической реакции от температуры (по правилу Вант-Гоффа).

Следует заметить, что с чисто формальной точки зрения гипотеза непосредственного удара на ген кажет­ся стройной, но с биологической она представляется излишне схематизированной.

С нашей точки зрения увеличение процента мутаций и хромосомных перестроек с повышением дозы отра­жает прежде всего степень наносимого клетке повреждения. Чем глубже заходят изменения в веществе клет­ки, тем вероятнее становится и нарушение ядерных структур. Но благодаря способности клетки парировать полученное повреждение, становление мутации должно осуществляться в процессе обратимости повреждения, то есть в процессе его восстановления (репарации). Мож­но предположить, что чем шире размах происшедших нарушений, тем затруднительнее должно быть воссоеди­нение в исходный порядок.

Что касается последействия Х-лучей на генетиче­ские явления, то таковое является фактом, не вызываю­щим сомнения....Мы изучали частоту первичного нерас­хождения хромосом на разных стадиях онтогенеза дрозофилы. При этом обнаружено, что облучение трехднев­ных куколок сказывается в течение 6-9 дней после вылета имаго. Следовательно, состояние общего мета­болизма клеток, подвергавшихся облучению рентгено­выми лучами, определяет эффективность последних.

Своеобразие действия Х-лучей и высокая частота индуцированных ими мутаций были с успехом исполь­зованы для толкования природы гена. Но если радиа­ция может действовать на половые клетки и на хромо­сомы непосредственно, беспрепятственно проходя всю толщу тела организма или клетки, то для прочих внеш­них факторов характерно опосредованное действие. Представление об исключительно непосредственном действии мутагенного фактора на ген не может удовле­творить биолога. Это представление терпимо в какой-то мере лишь на начальном этапе изучения проблемы.

Действие температуры

Для выяснения «биологических» причин изменчивости естественно обратиться к анализу природных факторов, которые создают условия существования и развития организмов. К таковым относится прежде всего температура. Известно, что температурные колебания вызывают в половых клетках все типы наследственных изменений.

***

В качестве одного из доказательств изменения гена как мономолекулярной реакции часто прибегают к вычислениям температурного коэффициента и к оценкам энергии, необходимой для изменения гена (Мuller, 1928; Timofeeff-Ressovsky, 1935). Однако содержательная интерпретация вычисляемых величин далеко не очевидна и вряд ли имеет смысл, хотя бы потому, что понижение температуры также является сильным мутагенным фактором. Это означает, что если построить график зависимости частоты мутаций от температуры, то получится U-образная кривая. Можно убедиться в сходстве ее с кривой, характерной для изменений обмена веществ в зависимости от температуры (см.: Кожанчиков, 1940). Сомнительно, чтобы это совпадение было чистой случайностью.

Таким образом, можно утверждать, что процесс изменчивости зависит от степени уклонения от оптимума условий существования, которое вызывает изменяющий агент. В тех случаях, когда отклонения от оптимума обратимы, становится возможным усиление мутационной изменчивости. В последующих разделах приводится действие химических соединений, центрифугирования, асфиксии и старения на мутационный процесс, что позволяет автору сделать вывод: «Итак, различные по природе агенты оказываются равнозначными в действии на мутационный процесс. Естественно сделать вывод, что в основе мутагенного действия этих агентов должна быть общая причина.

Паранекротическая гипотеза мутационного процесса

Д.Н. Насонов и В.Я. Александров (1940) установили, что агенты самой разнообразной природы вызывают в клетке однотипную (неспецифическую) картину повреждения с характерным комплексом изменений. Для обозначения такого комплекса изменений ими предложен термин «паранекроз». В основе паранекротических изменений авторы усматривают изменение химического коллоидного состояния нативных белков их «обратимую денатурацию».

Отсутствие физиологического подхода к анализу влияния внешней среды на мутационный процесс все еще остается основным тормозом в познании причин изменчивости. Это обстоятельство побудило нас попытаться дать в общей форме схему действия внешних условий на мутационный процесс. Выше были приведены генетические исследования по влиянию самых разнообразных по своей природе агентов на мутационный процесс, как-то: Х -лучи, лучи радия, ультрафиолетовые лучи, высокая и низкая температура, контрастная смена теплорежима, асфиксия, старение, центрифугирование, химические соединения (йод, аммиак, сернокислая медь, марганцовокислый калий, сулема, азотнокислый свинец, колхицин, горчичное масло). Как видно из приведенного списка агентов, индуцирующих мутации, вряд ли можно найти общие черты в их имманентных свойствах. Действие мутагена контролируется сложной цепью процессов, которые нередко маскируют эффект или препятствуют его проявлению. К числу таковых могут быть отнесены: клеточная проницаемость, метаболическая активность, последействие агента, привыкание (онтогенетическая адаптация) к действию агента, стадия развития организма, на которой он подвергается воздействию, клеточный отбор (Лобашев, 1940) и другие организменные процессы.

С точки зрения выдвигаемой гипотезы мутационные изменения возникают в результате реакции клетки как целостной системы на воздействие мутагена. Одним из наиболее важных моментов «паранекротической» гипотезы мутационного процесса является обратимость, репарация полученного клеткой повреждения. Само явление обратимости повреждения, если последнее не зашло глубоко, является неоспоримым фактом как для соматических, так и для половых клеток.

Таким образом, основные положения: во-первых, о неспецифичности действий разнообразных агентов на мутационные изменения; во-вторых, о возникновении мутации как следствия общеклеточных поврежденийи,в-третьих, об обратимости клеточного повреждения, вытекающие из литературных и собственных экспериментальных исследований, позволяют предположить новое толкование возникновения мутаций. Возникает ли мутация в момент выведения клетки из нормы или она является следствием неполной обратимости в исходное нормальное состояние, то есть при восстановлении к норме имеет место реверсия структуры хромосом, нетождественная исходному состоянию? Если образование мутаций идет по первому пути, то следует считать, что они возникают в момент непосредственного действия агента. Однако приведенные выше цитофизиологические и генетические данные скорее говорят в пользу того, что в момент воздействия происходит ломка молекул и структурных элементов клетки. Нам представляется более правильным становление мутации относить к неполной или нетождественной исходному состоянию реверсии.

***

Физиологическая гипотеза мутационного процесса не может принять представления о мутации как об узколокализованном в хромосоме событии, не зависимом от общих клеточных изменений. Напротив, локальное событие –геновариация - может происходить именно в силу общего нарушения, изменения клетки как целостной системы. Неблагоприятные условия среды, выводя клетку из физиологического оптимума в паранекротическую фазу (фазу обратимого повреждения), служат основной причиной перестройки структур протоплазмы. С точки зрения нашей гипотезы мутационное изменение есть лишь следствие изменений, произошедших в клетке.

Лобашев М. Е. Физиологическая гипотеза мутационного процесса // Исследования по генетике. Вып.6. –Л., 1976. - С. 3-14.