Факультативные элементы и наследование приобретенных признаков

Первый пример связан с поведением вируса "сигма", второй с мобильными элементами типа "I", ответственными за "I-R''-систему гибридного дисгенеза.

Исследования взаимодействия факультативного элемента — вируса "сигма" с геномом дрозофилы были начаты более 50 лет назад. Еще в 1937 г. французский генетик Ф. Леритье обнаружил мутацию мух, вызывающую их гибель в атмосфере СО₂. Мутация наследовалась не по Менделю, а причудливым образом: через цитоплазму, но не только по материнской линии. В небольшом проценте наблюдалась регулярная передача чувствительности и через самцов. Чувствительность можно было передать и путем инъекции гемолимфы. В этих случаях признак наследовался не устойчиво, не стабильно. Во время второй мировой войны исследования прекратились и линия была утрачена. Эту утрату Ф. Леритье горько переживал, и сравнивал даже впоследствии с утратой счастья. Но затем нашли, что одна отводка была послана в США, и исследования были возобновлены. К большому удивлению вскоре выяснилось, что в природных популяциях частота встречаемости носителей этого признака составляет 20–50%.

Чувствительность к углекислому газу оказалась связана с размножением в половых и соматических клетках РНК-содержащего пулевидного рабдовируса "сигма", сходного по фенотипу и ряду свойств с вирусом бешенства у млекопитающих. Оогонии у самок стабилизированной линии содержат 10–40 вирусных частиц, а зрелые ооциты до 1–10 млн. частиц (Bran, Plus, 1980).

Вирус "сигма" — типичный факультативный элемент. Мутации вирусного генома приводят к сложным формам поведения этой двухвидовой системы. Найдены случаи вирусоносительства, при которых дрозофилы остаются устойчивы к СО₂, но вместе с тем иммунны к заражению другими штаммами вируса. Эта ситуация вполне сравнима с состоянием профага у бактерий. Локализованные в разных хромосомах дрозофил мутации типа ref резко ограничивают размножение вирусов и делают мух устойчивыми к заражению. Однако у вируса найдены варианты, которые размножаются независимо от действия ref-генов. При некоторых мутациях скорость репликации вируса возрастает, и вирус (и соответственно, признак чувствительности к СО₂) начинает устойчиво передаваться не только по материнской линии, но и через самцов.

Взаимоотношения генома дрозофилы и размножающегося в его цитоплазме вируса подчиняются правилам внутриклеточной популяционной генетики (рис. 6). Воздействия в ходе онтогенеза способны произвести внутриклеточный отбор, вызвать сдвиг в соотношении ОК : ФК, а на уровне фенотипа — изменение наследственного признака.

Повышенная температура блокирует репликацию вирусных частиц. Если содержать самок и самцов в период гаметогенеза несколько дней при температуре 30° С, то потомство от таких подвергшихся тепловой обработке мух будет свободно от вируса и устойчиво к СО₂. Очевиден вывод: приобретенный в ходе индивидуального развития признак устойчивости наследуется в ряду поколений (Brun, Plus, 1980; Голубовский, 1985, с. 328; Landman, 1991). Многие аспекты поведения системы рабдовирус "сигма" — генотип дрозофилы еще мало исследованы. Например, найдено, что присутствие вируса влияет не только на чувствительность к СО₂, но и на темп мутирования, скорость развития и т. д.

Данная ситуация — лишь один из ярких примеров того, какие сложные морфофизиологические изменения генотипа могут быть вызваны факультативными ДНК и реплицирующимися РНК-носителями. Р. Б. Хесин (1984, с. 224) считал возможным вернуться к высказанной в середине 40-х годов мысли К. Дарлингтона о том, что "строгое разграничение между плазмагеном и вирусом представляется несущественным. Высокая частота мутаций плазмагена и вируса, отягчающаяся быстротой их отбора, при ядерном контроле обоих дает почти ламаркистскую окраску их адаптации".

Можно сформулировать общий принцип: наследование приобретенных признаков наблюдается в тех случаях, когда некий фенотипический признак зависит от числа или топографии факультативных элементов.

Ситуация с вирусом "сигма" не единична. Французские генетики исследовали факторы стерильности самок, связанные с поведением мобильных элементов типа "I". Наследование этого признака определяется сложными ядерно-цитоплазматическими взаимодействиями. Если в отцовских хромосомах локализованы активные I-элементы, то на фоне R-цитоплазмы они начинают активироваться, претерпевают множественные транспозиции и в результате вызывают резкие нарушения онтогенеза в потомстве самок с чувствительной цитоплазмой. Такие самки откладывают яйца, но часть эмбрионов не развивается ввиду гибели на ранней стадии дробления еще до образования бластодермы. Линии, выделенные из природных популяций, отличаются по силе действия I-факторов и степени реактивности (или чувствительности) цитоплазмы.

Наследуемые свойства данной линии количественно характеризует процент погибающих эмбрионов и процент самок, проявляющих стерильность. Эти фенотипические показатели могут быть изменены внешним воздействием. Возраст исходных родительских самок, а также воздействие на них повышенной температуры отражается не только на их собственной плодовитости, но и на плодовитости потомства. Вызванные условиями среды изменения реактивности цитоплазмы поддерживаются длительное время на протяжении многих клеточных поколений. "Самое замечательное, что эти изменения реактивности цитоплазмы под влиянием негенетических факторов наследуются: наблюдается наследование "благоприобретенных" признаков" (Хесин, 1984, с. 176).

Рис. 6. Неменделевское наследование признака, который зависит от популяции факультативных элементов генома. Признак СО2 — чувствительности вызван присутствием в цитоплазме популяции рабдовируса "сигма". Наследование цитоплазматическое. В случае температурного шока на ранних стадиях развития размножение вируса блокируется и выросшие особи становятся устойчивыми к вирусу ("наследование приобретенных признаков").