Спастись вопреки Менделю

Законы наследственности Менделя, сформулированные австрийским ученым в позапрошлом столетии, до сих пор служат основой для всей современной системы знаний о генах. Тем не менее эта теория не может описать способность некоторых генов самопроизвольно включаться в процесс управления ростом организмов. Не пытаясь выяснить молекулярные механизмы этого процесса, американские ученые предприняли попытку качественно и количественно оценить важность этого свойства генов на основе математического эксперимента.

Известно, что один ген, определяющий цвет горохового стручка, задает зеленую окраску плода, в то время как модификация этого гена приводит к желтой окраске. Эта фенотипическая изменчивость позволила Грегору Менделю впервые сформировать законы наследственности в XIX веке. Однако в наши дни генетики все больше концентрируют свое внимание на способности отдельных генов к самопроизвольной экспрессии генетической информации в произвольном из возможных вариантов.

Работа ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством профессора Джефа Хасти и была направлена на прояснение феномена генетической мультистабильности, сложного места в теории Менделя. В своем отчете в Proceedings of the National Academy of Sciences ученые сообщают, что изменчивость по причине наличия эпигенетической мультистабильности гораздо более обширна и протекает существенно дольше, чем можно было предположить.

Их компьютерная модель описывала рост бактерий в природных условиях. Этот, на первый взгляд, примитивный эксперимент, повторенный многократно, позволил зафиксировать степень изменчивости в колонии бактерий, состоящей из двух фенотипических организмов.

Динамика и разнообразие размножающихся одноклеточных организмов определяются скоростью роста и гибели различных фенотипов внутри одной колонии организмов. В дополнение к этому эпигенетическая мультистабильность, то есть постоянное проявление фенотипических разновидностей генетически идентичных организмов, может привести к неожиданной смене доминирования одного фенотипа другим. Изучение относительных колебаний популяций и классификация их на взаимодействия между колониями и внутри одной колонии позволили ученым установить причины и следствия таких колебаний фенотипов в популяции одноклеточных.

Учеными было установлено, что изменчивость может в большой мере зависеть от начальных условий и негативных факторов, нагрузки, затрудняющей развитие колонии организмов.

Естествоиспытатели использовали математическую модель существования колонии из двух фенотипов и изучили изменчивости от времени в условиях неограниченного и ограниченного роста популяции.

В результате удалось установить, что в условиях неограниченного роста изменчивость вида наиболее сильно контролируется начальными параметрами среды обитания. В случае применения модели ограниченного роста популяции система в итоге приходит в стабильное состояние с уникальным соотношением фенотипов, зависящим от ограничивающих распространение факторов, и не зависит от изначальных параметров среды.

Однако время, за которое неустойчивая система придет к конечному соотношению фенотипов в популяции, зависит от начальных условий в значительной степени и может быть довольно большим, будучи определяемым внутренними биоритмами системы.

Это явление только предстоит открыть и изучить в человеческом геноме, однако уже сейчас один из главных выводов исследования – методологическая база проведения экспериментов по изучению изменчивости должна быть тщательно пересмотрена именно из-за явления эпигенетической мультистабильности. Даже в клетках человеческого организма мультистабильность может играть важную роль в переключении экспрессии того или иного гена – грубо говоря, из положения «вкл.» в положение «выкл.»

Несмотря на кажущуюся простоту проведенной работы, выводы из неё исследователи делают самые серьезные, отмечая, что раньше у ученых попросту не было инструмента, позволяющего количественно оценить фенотипическую изменчивость.

Эпигенетическая мультистабильность может быть жизненно важной для клеток, имеющих внешние различия, но в то же время являющихся генетически идентичными. Так, в определенных условиях преуспеть в размножении может только один вид одноклеточных организмов, однако неожиданное изменение окружающей среды при этом может уничтожить всю популяцию на корню.

Механизм эпигенетической мультистабильности позволяет альтернативному фенотипу проявить себя в такой чрезвычайной ситуации и спасти колонию.

Неожиданное изменение экспрессии генов вопреки всем законам генетики было показано в недавнем прошлом многими научными группами. Модельная же конструкция, воздвигнутая калифорнийской группой исследователей, позволяет выявить влияние подобного «генетического шума» на свойства развивающейся колонии одноклеточных организмов, такие как прогрессирование бактериальных инфекций или рост популяции раковых клеток.