Есть тандемные повторы, есть и ретротранспозоны

[egovoru]

В своей книжке, рекомендованной мне уважаемым evgeniirudnyi, Джеймс Шапиро претендует на «новый взгляд на эволюцию из 21-го века». По мнению автора, «традиционное представление об эволюции и мутации заключается в том, что у живых клеток нет естественных генно-инженерных способностей для осуществления специфических адаптивных изменений», и он считает своим долгом рассеять это заблуждение. Однако еще в мое студенческое время (1984) вышел фундаментальный труд Р. Б. Хесина «Непостоянство генома» – и это в Советском Союзе, где генетика, «продажная девка капитализма», долгие годы пребывала под запретом. Я уж не говорю о почитаемой автором Барбаре Мак-Клинток, изучавшей транспозоны в 1950-е годы.

Опус Шапиро представляет собой справочник по преобразованиям генома, известным на 2011 год – в основном у прокариот, поскольку сам автор занимается именно их генетикой. Недавно кто-то спрашивал меня о механизмах масштабных хромосомных перестроек – вот это книжка, где они достаточно подробно разбираются (подозреваю, правда, для небиологов она будет все-таки сложновата). Но меняет ли она наши представления о механизме эволюции?

Для того, чтобы «опровергнуть Дарвина» (в его современном понимании), наследственные изменения должны быть не просто адаптивными в широком смысле, а «целесообразными». То есть, они должны повышать приспособленность именно к тому изменению среды, которое их вызвало: скажем, похолодание климата должно приводить к отрастанию более густой шерсти у млекопитающих.

Когда биологи говорят о «случайности» мутаций, они вовсе не имеют в виду, что любой нуклеотид с равной вероятностью превращается в любой другой. Вероятность мутации – и это относится не только к заменам единичных нуклеотидов, но и к любым перестройкам ДНК – зависит и от локальной последовательности, и от ее положения в геноме, и от трехмерной структуры хроматина. Но все это не делает мутации «неслучайными» с эволюционной точки зрения; эволюционная «случайность» – это отсутствие целесообразности.

Не будучи сама специалистом по молекулярной генетике, я внимательно прочла книжку Шапиро (благо, она весьма разумного размера – 147 страниц без списка литературы) на предмет каких-то явлений, не вписывающихся в современный селекционизм.

Лучшим примером «естественной генной инженерии» Шапиро считает работу иммунной системы млекопитающих. Перестройки в генах иммуноглобулинов (антител) он называет специфическими, потому что они затрагивают только вариабельные участки молекулы, отвечающие за связь с антигеном, и адаптивными, потому что они способствуют защите организма от инфекции.

Но ведь они совершенно случайны в определенном выше смысле – то есть, они никоим образом не задаются свойствами антигена, который их запускает! В-лимфоциты генерируют антитела со случайными комбинациями сегментов вариабельных участков (каждый клон – одно антитело). Столь же случайный интенсивный точечный мутагенез в этих участках еще и дополнительно увеличивает разнообразие антител. После этого лимфоциты подвергаются самому жесткому естественному отбору: клон, чье антитело показало лучшее сродство к антигену, сохраняется, а все остальные уничтожаются апоптозом.

Не говоря уже о том, что этот процесс не имеет никакого значения для эволюции, потому что не затрагивает половые клетки – иначе нам не надо было бы прививать от кори и ветрянки каждое новое поколение детей. То же касается и всех остальных примеров «естественной генной инженерии», собранных Шапиро: эти изменения либо нецелесообразные, либо ненаследственные, либо то и другое вместе, как в случае с антителами.

«Один из самых важных уроков, извлеченных из последних 60 лет молекулярной и клеточной биологии, состоит в понимании, что все аспекты функционирования и биохимии клетки подвержены регуляции», утверждает Шапиро. Опа, а разве кто-нибудь когда-нибудь думал иначе? Уважаемый автор, положим, на двадцать лет старше меня, но я все же сомневаюсь, что ему не преподали этот урок еще на студенческой скамье. Почему это кажется ему таким откровением сегодня, для меня загадка.

А в чем же новизна его взгляда на эволюцию по его собственному мнению, изложенному в последней главе? Не считая широковещательных заявлений в пользу подхода «системного, а не атомарного, и информационного, а не стохастического», суть его сводится к отрицанию созидательной роли отбора путем накопления мелких изменений. Шапиро настаивает, что новая структура возникает только путем крупных геномных перестроек типа перетасовки белковых доменов, а роль отбора – исключительно отсев неудачных вариантов. Но ведь, прежде чем перетасовывать домены, надо же их создать? А откуда они берутся, автор умалчивает.

Ну, и в заключение отмечу небольшую фактическую ошибку в книжке Шапиро: у эвглены нет нуклеоморфа; эта структура (остаток ядра «промежуточного» эндосимбионта) есть только у криптофитов и хлорарахниофитов. В целом автор производит впечатление редкого зануды очень педантичного человека, но и на старуху бывает проруха.

Джеймс Шапиро рассказывает о «считываемом и переписываемом геноме»
в лекции под эгидой Американского Микробиологического Общества

Comments

[lj-frank-bot.livejournal.com]

Hello!
LiveJournal categorization system detected that your entry belongs to the category: Наука (https://www.livejournal.com/category/nauka?utm_source=frank_comment).
If you think that this choice was wrong please reply this comment. Your feedback will help us improve system.
Frank,
LJ Team

[egovoru.livejournal.com]

Она самая, Фрэнк!

[lj-frank-bot.livejournal.com]

Здравствуйте!

[vlkamov.livejournal.com]

> (1984) вышел фундаментальный труд Р. Б. Хесина «Непостоянство генома» – и это > в Советском Союзе, где генетика, «продажная девка капитализма», долгие годы
> пребывала под запретом

- какая-то чушь.
В школе 70е гг на уроках биологии показывали кино про гены и хромосомы, и в учебнике все было нарисовано.

[antonkachinskiy.livejournal.com]

В 70 е — да.
А вот в 60-е уже далеко не во все....

[vlkamov.livejournal.com]

Ну арифметика-то уж во все года была, одинаковой... цифирьки, нумерация ...

Вы год видите ?

[egovoru.livejournal.com]

Если Вы никогда не слышали о, например, сессии ВАСХНИЛ 1948 года, то сегодня ее стенограмму можно прочесть в сети. Мне это чтение показалось очень, очень поучительным (https://egovoru.livejournal.com/27606.html) (в моем посте по ссылке есть ссылка на текст стенограммы, я ее только что проверила - она вполне рабочая).

[zlata-gl.livejournal.com]

Одно другому не противоречит.
В 1948 году была сессия ВАСХНИЛ.
А в 1973, когда я училась в 10-м классе, в учебнике биологии была глава "Генетика" с законами Менделя.
В 1984 вышел фундаментальный труд Р. Б. Хесина «Непостоянство генома» в Советском Союзе

[vlkamov.livejournal.com]

То есть указанный вами же год вы прочитать тоже не можете.

[evgeniirudnyi.livejournal.com]

Вопрос такой. Как вы считаете, убедила ли ваша заметка Шапиро или нет?

В целом, для разумного обсуждения полезно вначале достигнуть исходной позиции, которая разделяется. В данном случае такой позицией могло бы быть согласие по поводу того, каким образом следовало бы проводить оценку высказываний участников дискусскии. В противном случае получается, есть одно мнение, а есть другое, но обсуждать-то нечего.

Например, вы сказали

"Мне кажется, естествознание - это деятельность по созданию умозрительных моделей действительности"

Вот, есть одна модель, а есть другая. Однако что в этом случае можно обсуждать?

[egovoru.livejournal.com]

"Как вы считаете, убедила ли ваша заметка Шапиро или нет?"

Заметьте, я ведь беседую не с автором книжки, а рассказываю о ней читателям своего журнала, в частности, Вам. Вы порекомендовали мне эту книжку как некий новый взгляд на эволюцию - и немудрено, ведь сам автор провозглашает именно это своим заглавием. На деле же эта книжка, во-первых, по большей части вообще не об эволюции, а о ненаследственных изменениях в экспрессии генов и ненаследственных же преобразованиях генома в соматических клетках. А хуже всего, что автор вообще не отделяет наследственные изменения от ненаследственных, что должно окончательно запутать неподготовленного читателя.

Во-вторых, то утверждение, которое автор делает в последней главе, хотя и относится к эволюции, но никак не тянет на "новый взгляд" на нее, потому что те процессы, которые он рассматривает (хромосомные перестройки, удвоение генов и целых геномов, эндосимбиоз и т.д.) не являются новыми, и их роль в эволюции никто и не отрицает. Но из того, что все эти процессы вносят вклад в эволюцию, никак не следует, что не происходит накопление индивидуальных мутаций, против которого зачем-то выступает автор (не приводя, кстати, никаких конкретных аргументов).

Какова сравнительная роль того или иного процесса в том или ином эволюционном результате, определить очень трудно. Для иллюстрации могу привести пример из моей собственной области. Фоторецепторные и фотоэнергетические белки микроорганизмов состоят из 7 трансмембранных спиралей, в середине последней из которых находится сайт ковалентного связывания хромофора (ретиналя). Поглощение ретиналем света приводит к его изомеризации и изменению конформации белка.

Зрительные пигменты в наших глазах тоже представляют собой белки, состоящие из 7 трансмембранных спиралей, в середине последней спирали присоединен ретиналь, фотовозбуждение которого приводит к его изомеризации и изменению конформации белка. Но между первичными последовательностями фоторецепторных/фотоэнергетических белков микроорганизмов и наших зрительных белков нет практически никакого сходства. Спрашивается, эти два семейства белков - результат очень далеко зашедшей дивергенции или, наоборот, конвергенции изначально различных последовательностей для выполнения сходной фунции?

Есть немало работ, остаивающих ту или другую точку зрения, но воз и ныне там. Более того, я подозреваю, что этот вопрос никогда и не будет разрешен окончательно. И так же обстоит дело с большинством других конкретных результатов эволюции.

[evgeniirudnyi.livejournal.com]

Вы не ответили на мой вопрос, как следует вести такое обсуждение. Пока мы видим разные мнения, но непонятно, из каких соображений следует решить, какое мнение правильное, а какое нет.

[marigranula.livejournal.com]

"В своей книжке, рекомендованной мне уважаемым"
И я! И я могу порекомендовать!!

[egovoru.livejournal.com]

О, эту книжку я уже освоила еще в школьные годы! Она была замечательно издана "Прогрессом" с иллюстрациями автора и превосходным справочным аппаратом (в частности, переводом слов, которые найдешь не во всяком словаре). Это была одна из первых английских книжек, прочитанная мной в оригинале. Мне особенно нравится история написания первого письма, и история мотылька, разговаривавшего с царем Соломоном :)

А книжка Шапиро для биолога, который может отличить факты от их интерпретации автором, не так уж плоха. Проблема, однако, в том, что небиологам это сделать труднее, и я бы никоим образом не стала рекомендовать ее им.

[marigranula.livejournal.com]

А мне про броненосцев (но возможно, песня Никитина подсознательно повлияла)

[egovoru.livejournal.com]

Вот, нашлось мое "прогрессовское" издание:

[marigranula.livejournal.com]

Офигеть! Мы его с собой привезли, он у родителей стоит. Я завтра в гости к ним иду, свое такое же пришлю :))))

[marigranula.livejournal.com]

Я с Вами полностью согласен.
Ретротранспозоны, интроны и т.д. создают дополнительное давление отбора, и клетки обладают набором генов кодирующих различные защиты от транспозонов. Без всякого сомнения, мобильные элементы, встраиваясь в геном создают новые варианты, которые могут закрепится в процессе эволюции.
Но говорить о каком-либо принципиальном изменении общей концепции эволюции предложенной Дарвиным не приходится.
Ну и, такие процессы как рекомбинация или дупликация геномов влияют на эволюцию несравненно сильнее чем мобильные элементы.
ps До середины девяностых было обсуждение идеи адаптивных мутаций (например https://www.nature.com/articles/335142a0, критика: https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.es.26.110195.003005). Авторы предполагали, что мутации могут зависеть от потребностей организма. На сколько я знаю, ничего из этой идеи не вышло.

[egovoru.livejournal.com]

"Ретротранспозоны, интроны и т.д. создают дополнительное давление отбора"

"Давление отбора" - это все же воздействие условий, а ретротранспозоны и т.д. создают наследственные вариации, материал для отбора.

"рекомбинация или дупликация геномов влияют на эволюцию несравненно сильнее чем мобильные элементы"

Шапиро описывает и их (собственно, о мобильных элементах у него как раз относительно немного), но, во-первых, он не различает, происходят ли эти процессы в половых клетках или соматических (может, потому, что он всю жизнь работал на бактериях, где такого разделения клеток нет, и он не привык о нем думать?), а во-вторых, он, по-видимому, намеренно не указывает, являются ли эти изменения целесообразными в обозначенном мной смысле (а они не являются, и читателю, интересующемуся эволюцией, важно это знать!).

Вообще, его книжка производит странное впечатление. С одной стороны, она может быть использована как краткий и вполне адекватно написанный реестр генетических перестроек; а с другой, она поразительно неряшлива концептуально. Ну, как же можно, говоря об эволюции, не различать изменения ДНК в половых и соматических клетках? Или это постоянное удивление автора, что биохимические процессы подвержены регуляции условиями среды - ну, а как же может быть иначе?

"Авторы предполагали, что мутации могут зависеть от потребностей организма. На сколько я знаю, ничего из этой идеи не вышло"

Я потому и решила прочесть эту книжку, что подумала, может, я действительно отстала от жизни (поскольку профессионально я далека от генетики)? Но, как я и отметила в посте, никаких явлений, противоречащих современному общепринятому селекционизму, в этой книге не описано.

Что же касается целесообразности мутаций, то ведь для этого ДНК должна "предвидеть", как они скажутся на свойствах кодируемого белка, а это даже генным инженерам не всегда удается :)

Кстати, Шапиро еще и злоупотребляет выражениями типа "сознание клеток" и т.д. Или, например, он пишет - в самой первой главе - что "центральная догма" Крика была опровергнута, и приводит целый список явлений, по его мнению, ее опровергающих - среди которых прионы и т.д. То есть, опять совершенная путаница: либо он действительно не понимает разницу, либо зачем-то намеренно мутит воду. А небиологи это читают и думают, что он сказал новое слово в представлениях об эволюции!

[marigranula.livejournal.com]

""Давление отбора" - это все же воздействие условий, "
Ретротранспозоны создают проблемы для самих клеток, и соответственно в клетках есть несколько систем для подавления активности транспозонов (например https://www.nature.com/articles/6801064) . Для этих систем, транспозоны играют ту же роль, что и вирусы для иммунной системы.

"типа "сознание клеток""
Ну наверное, на первом же таком словосочетании и имело смысл кончить читать книжку? :)))

[greygreengo.livejournal.com]

А эволюция — это порожденная случайностью направленность динамического процесса или же выборка наиболее массового компонента в статистическом ансамбле смешанных состояний?

На мой крайне дилетантский взгляд постороннего, каждая из этих кочек зрения может отображать собственную методологию и научно-описательную часть эволюции, включая совершенно разный математический аппарат описания/предсказания.

ЗЫ Различия и связь между кинематикой, например, молекулярного газа с взаимодействием и его статистическим описанием физики освоили давно и прочно, а как с этим у эволюционистов?

[egovoru.livejournal.com]

Эволюция осуществляется путем отбора спонтанно генерируемых наследственных вариантов. Проблема этого автора в том, что он как-то совсем не обращает внимания на то, являются ли описываемые им процессы генераторами именно наследственного разнообразия, или это разнообразие сохраняется только в течение жизни организма.

В частности, он начинает книжку с описания знаменитых опытов Жакоба и Моно, то есть, демонстрации дифференциальной активности генов бактерий в зависимости от состава их среды обитания. Это, конечно, весьма специфическая, целесообразная регуляция, поскольку добавление в среду определенного сахара активизирует именно тот комплекс генов, который нужен для его усвоения.

Только она не передается по наследству - если дочерним клеткам не давать этот сахар, то этот комплекс генов у них работать не будет, а чтобы он заработал, сахар надо снова добавить в среду (примерно так же, как дети штангиста не родятся с мощными мышцами - чтобы эти мышцы заполучить, им придется самим заняться штангой).

Аналогично и с разобранной в моем посте генетической вариабельностью лимфоцитов: она генерируется только у лимфоцитов, которые не передаются детям, а в половых клетках эти процессы не идут. И так почти со всеми явлениями, описываемыми автором. Почему он назвал свою книжку "Новый взгляд на эволюцию", когда она совсем не об эволюции, для меня загадка. Будучи профессиональным биологом, он не может не понимать, что большинство описываемых им процессов не имеют к эволюции никакого отношения.

"Различия и связь между кинематикой, например, молекулярного газа с взаимодействием и его статистическим описанием физики освоили давно и прочно, а как с этим у эволюционистов?"

Для простых организмов, вроде бактерий или даже дрозофил, довольно легко установить связь между геном и признаком, а для сложных, вроде человека, это гораздо труднее, поскольку нет каких-то единичных генов, например, интеллекта, а уровень последнего есть результат сложного взаимодействия сотен генов друг с другом и со средой.

[serge no (from livejournal.com)]

А в какой степени интеллект есть результат взаимодействия генов с чем-то? В этих словах вообще есть смысл?

[yoginka.livejournal.com]

//клон, чье антитело показало лучшее сродство к антигену, сохраняется, а все остальные уничтожаются апоптозом. //
- А какие механизмы решают "быть или не быть", иными словами, что включает апоптоз?

[egovoru.livejournal.com]

Апоптоз включает плохое связывание с антигеном. Деталей я не знаю (и Шапиро их не разбирает), но могу поискать, если интересно.