Ген – проблема века

Интервью с Академиком Николаем Петровичем Дубининым.

Лауреат Ленинской премии, директор Института общей генетики АН СССР академик Н. П. Дубинин — виднейший советский генетик, автор более 300 научных работ по разнообразным вопросам генетики и эволюционной теории. Его труды — весомый вклад в развитие этих наук. Борьба Н. П. Дубинина за чистоту советской науки, против догматизма и псевдонаучных наслоений служит образцом подлинно ленинской принципиальности ученого.

—           Николай Петрович, в своих выступлениях вы неоднократно упоминали о том, что биология в скором будущем должна занять среди наук то место, которое сейчас принадлежит физике. Какие у вас есть основания для такого утверждения?

—           Во-первых, важность задач, которые стоят перед биологией. В результате развития биологической науки откроются совершенно новые возможности для сельского хозяйства и медицины. Научно-технический прогресс в этих областях будет иметь фундаментальное значение. Человечество должно решить проблему увеличения пищевых ресурсов. Население Земли удвоится к 2000 году, оно составит примерно около 7 млрд. человек. Резкое увеличение пищевых ресурсов невозможно без помощи генетики, биохимии и других новых крупных отраслей науки. Медицина уже сейчас умеет великолепно справляться со многими болезнями, имеющими внешнее происхождение, со всеми инфекционными заболеваниями, но с недостатками, которые возникают в результате нарушения генетической информации, медицина борется очень слабо. Борьба с наследственными болезнями, раком, увеличение продолжительности жизни, сохранение тонуса юности на протяжении долгих лет — все это неразрывно связано с успехами биологии. Возьмите такой вопрос, как пересадка органов. Она сейчас прекрасно удается хирургам. Но тканевая несовместимость губит их блестящие достижения. Пересаженное сердце не приживается. Применяются депрессанты, но они оказывают временное действие, подавляют силы самого организма человека. Надо разработать генетику тканевой несовместимости. Только после этого, регулируя действие генов, можно будет коренным образом решить вопрос пересадки органов.

Сейчас вмешательство человека в природу настолько возросло, что мы нарушаем биосферу, и во многих случаях основательно. Я не говорю уже о таких вещах, как гибель жизни в реках и прибрежных морях, нарушение жизни лесов. Но развитие атомной энергетики, химии и т. п. в громадной степени изменяет всю биосферу, нарушает сложившиеся биоценозы. Это влияет на продуктивность целых ландшафтов, продуктивность лесов, рек, морей. Вопросы сохранения нужных условий для жизни человека на земле и создания новых условий — все они связаны с развитием биологии. Наконец, нас, конечно, глубоко волнует сама загадка жизни. Что такое жизнь? В этом аспекте намечается подход к созданию живой материи. Уже, можно сказать, синтезирован ген, один ген дрожжевой клетки. Осуществлено в искусственных условиях самоудвоение молекул ДНК. И вот последнее сообщение: в США из системы бактерии Escherichia coli выделен живой ген, и он в состоянии жить и размножаться. Но загадка жизни связана с клеткой, поэтому создание отдельных молекул, даже способных размножаться, выделение отдельного гена еще не говорит о качестве жизни, потому что жизнь без клетки пока немыслима. Вирусы и фаги представляют соединение нуклеиновой кислоты с белком, но они сами тоже живут только внутри клетки. Значит, категория жизни со всеми ее проявлениями — это категория системы клетки. В будущем встанет задача создания клетки. Таким образом, установление происхождения жизни, ее создание позволят нам понять и ее сущность. С этим же связаны космические исследования. Встреча с неземной жизнью будет иметь огромное значение. На Луне жизни нет, это мы теперь знаем, но она может оказаться, например, на Марсе. Если там какие-то формы жизни будут обнаружены, то выяснение того, связаны ли молекулярные основы, генетическая информация жизнедеятельности марсианских организмов с нуклеиновыми кислотами и белком или там имеются какие-нибудь другие основы жизни, даст нам ответ на вопрос о происхождении жизни во Вселенной. А это имеет громадное и философское, и познавательное, и практическое значение. Все проблемы биологии сейчас исследуются очень широким фронтом, на молекулярной основе. Молекулярная биология, которая представляет собой на данном этапе главным образом синтез генетики и биохимии, позволяет раскрывать явления жизни на молекулярном уровне. В этом отношении, конечно, сущность жизни будет также раскрываться очень глубоко. По-видимому, есть основания считать, что биология по своему значению для человечества, по глубине интереса и по методам и возможностям, которыми сейчас она обладает, уже сегодня становится, во всяком случае, вровень с физикой.

—           Ваши работы по современной теории наследственности, теории эволюции популяций, радиационной генетике и исследованию мутаций получили высокую оценку. В 1966 году Вам была присуждена Ленинская премия. В научном мире по-прежнему актуальны идеи, к которым Вы пришли сорок лет тому назад. Широкой общественности эта часть Вашей деятельности менее известна. Не можете ли Вы рассказать нашим читателям хотя бы о теории делимости гена, которая только недавно получила всеобщее признание?

—           Действительно, это было примерно 40 лет тому назад. Тогда существовало представление, что ген — это корпускула биологически неделимая, как в свое время считали, что и атом не содержит никаких частиц и представляет собой нечто неделимое. И вот в работах по ступенчатому аллелизму (так назывались эти исследования) мне удалось показать, что старые представления о неделимом гене не отвечают полученным фак» там, и на основании данных изучения отношений между аллелями (аллели — это гены, которые по разному мутировали, или, вернее,, один и тот же ген, только каждый раз мутировавший в другом направлении) пришлось предположить и доказать довольно основательно, что ген состоит из отдельных единиц. Тогда мы называли ото «центры внутри гена». Эта теория получила название «центровая теория». Вокруг нее разгорелись довольно жаркие споры. В них участвовал целый ряд заграничных ученых, очень крупных. Но затем, когда наступила эпоха молекулярной генетики, представление о дробимости гена, его сложном строении целиком подтвердилось. И сейчас уже совершенно ясно, что ген представляет из себя отрезок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, так называемой ДНК, в состав его входит в среднем 1000 с небольшим нуклеотидов. Нуклеотиды — это особые образования, кирпичики нуклеиновой кислоты, где главным составным элементом, с точки зрения генетической специфики, являются азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин. Вот эти азотистые основания, в определенном взаимоположении находящиеся внутри генов, образуют структуру гена. Но вместе с тем ген есть и какая-то биологическая организация. Целый ряд фактов указывает, что он не просто отрезок внутри нуклеиновой кислоты или отрезок какого-то кусочка нуклеиновой кислоты, а какая-то система, определенная организация, вплоть до того, что, по самым последним сообщениям, выделен отдельный живой ген. Так что ген разложим, он состоит из отдельных элементов, в нем отдельные элементы могут изменяться независимо один от другого, но вместе с тем ген характеризуется такой биологической организацией, что его можно отдельно выделить из хромосомы вроде какой-нибудь живой молекулы, и он сохранит свои свойства. Вот такая системность, т. е. признание и целостности гена, и его деления на части, сейчас является основным в изучении этого вопроса.

—           Какой объем информации содержится в одном гене?

—           Обычно ген связан с синтезом отдельных ферментов; со стороны гена кодируется целая белковая молекула. Отдельная аминокислота кодируется при помощи так называемого триплета: три азотистых основания, лежащих один за другим внутри гена, кодируют при синтезе белка вставку отдельной аминокислоты. И если в состав гена входит около 1000 нуклеотидов, как это бывает в среднем, то отдельный ген может кодировать 300—400 аминокислот. Самые маленькие гены, скажем, ген аланиновой транспортной рибонуклеиновой кислоты в дрожжевых клетках — это примерно 50 нуклеотидов; значит, даже такой маленький ген кодирует примерно 18 аминокислот.

История учения о гене, как и история физики, подтвердила предсказание В. И. Ленина, сделанное им в 1908 году в книге «Материализм и эмпириокритицизм». В. И. Ленин говорил, что природа бесконечна, электрон неисчерпаем. Эти диалектико-материалистические принципы определили сущность дальнейшего развития естествознания XX века. Сейчас становится очевидным, что моя работа 1928—1933 гг. практически развивала принцип неисчерпаемости явлений природы в конкретной области — теории гена. В этом отношении она послужила «ломке» старых неверных идей о неделимости гена, о том, что ген как единица наследственности характеризуется якобы исчерпывающей простотой.

—- В начале 30-х годов вы разработали и экспериментально обосновали теорию генетико-автоматических процессов. В чем сущность этой теории?

—           Работы этого времени связаны с двумя основными открытиями в генетике популяций1, которые оставили заметный след в дальнейшем развитии этих вопросов. Первое — открытие генетического груза в популяциях. И второе — анализ того, какие силы управляют этим генетическим грузом. Открытие генетического груза показало, что в наследственности популяций дрозофилы (тогда это было сделано с дрозофилой) в скрытом виде, в гетерозиготном состоянии2 (так что мухи внешне совершенно нормальные, жизнеспособные) хранятся вредные гены. Это было открыто на категории летальных мутаций, т. е. мутаций, которые при переходе в гомозиготное состояние3 убивают организм, так что часть потомков таких внешне совершенно нормальных, жизнеспособных мух погибает от внутренних причин —- генетическая информация их так нарушена, что развитие приостанавливается. Вот это открытие генетического груза сейчас подтверждено везде, у всех организмов, которые изучались. В частности, это имеет большое значение для медицинской генетики, потому что наследственные заболевания человека — это есть также проявление генетического груза, существующего и на уровне жизни человека. Поэтому это открытие очень существенно для понимания жизни всех популяций. Но какие законы управляют «жизнью» вредных генов в популяциях, где они, как я уже упоминал, в основном представлены в гетерозитах? Всегда считалось, что тут действует только один фактор, именно, естественный отбор, который уничтожает особей — гомозигот по вредным генам и тем самым поддерживает определенную концентрацию генов в популяциях. Но загадка состояла в том, что в популяциях иногда встречаются так называемые нейтральные признаки, какая-нибудь окраска, не имеющая, казалось бы, сколько-нибудь серьезного значения, может быть, маленькое нарушение в морфологии и так далее. Вот это явление в свое время очень волновало и Дарвина, который никак не мог понять: отбора по этим признакам нет, а какая-то эволюция все-таки по ним совершается. Тут как раз и пришла на помощь теория генетико-автоматических процессов, которая показала, что благодаря таким стохастическим, или вероятностным, законам в популяции данные нейтральные признаки могут распространяться в сторону нарастания или уменьшения количества таких генов. Случайные эти процессы в том смысле, что признак может колебаться в положительную или отрицательную сторону, но если популяция ограничена, если она состоит из сравнительно небольшого количества особей, то в конце концов эти вероятностные процессы приводят к тому, что данный ген или признак либо выбрасывается из популяции, или завоевывает всю популяцию. А когда он всю популяцию завоевывает, то происходит дивергенция: популяция сдвигается на новый уровень, получается новая форма, характеризующаяся этим нейтральным признаком. Это в отношении нейтральных признаков. Но, кроме того, когда все мутации представлены еще в малых концентрациях и многие из них находятся в гетерозиготах и поэтому не подвергаются отбору, там такие генетико-автоматические процессы оказывают влияние и на распространение признаков, которые в дальнейшем подвергаются отбору. Независимо это явление было открыто С. Райтом в США. Поэтому существуют два термина: в американской литературе преимущественно это явление называется дрейфом генов (т. е. гены дрейфуют в популяциях — такой выразительный термин), а в нашей литературе — генетико-автоматическими процессами. Этот термин иногда встречается также за рубежом.

Учение о генетическом грузе сказалось на современных попытках заглянуть в биологическое будущее человека. Целый ряд ученых за рубежом, и в первую очередь Г. Г. Меллер, полагает, что рост генетического груза в популяциях человека принимает угрожающие масштабы, и это может явиться причиной гибели человечества. Поэтому они предлагают принять меры по созданию новой породы человека, лишенной этих недостатков. Беспристрастный анализ вопроса показывает, что генетический груз у человека действительно существует, выражается он в наличии наследственных болезней. Однако, регулируя условия среды, человек может не допустить роста числа мутаций. Так что задача заключается в контроле над средой. Что же касается человека как мыслящего существа, то здесь определяющим является действие социальной среды. Нельзя, конечно, забывать об индивидуальных особенностях личности, которые связаны с ее биологическими особенностями. Но социальная типизация все же определяется средой. Все это заставляет нас решительно возражать против евгеники, которая ставит своей задачей создать нового человека генетическими методами.

В арсенале евгеники для решения такой задачи нет ничего, кроме методов зоотехники. Евгеника недооценивает роль социальной среды, это есть непонимание того, что человек — социальное существо, что методы разведения животных в применении к человечеству уничтожают само понятие человека. Что же касается исправления биологических недостатков людей, то здесь слово принадлежит медицинской генетике, которая сможет опираться на драгоценную наследственную основу, созданную эволюцией при появлении человеческого вида. Никаких реальных задач по созданию биологически нового человека в настоящее время не существует. Мир требует социальных перемен, и эти перемены сейчас совершаются.

—           Не можете ли Вы рассказать, над чем сейчас работает ваша лаборатория?

—           Сейчас в Институте общей генетики я работаю в лаборатории мутагенеза, т. е. мы изучаем законы мутаций: каким образом под воздействием внешних и внутренних факторов гены изменяют свою структуру, как появляются новые гены, которые вызывают новые признаки? Явление мутаций, т. е. появление нового в наследственном коде, имеет огромное значение для понимания всех процессов эволюции, для понимания селекции, потому что именно таким путем появляется новое в наследственности. Главное, чего мы сейчас добиваемся, это попытка раскрытия природы мутаций на молекулярном уровне. Тут существует целый ряд загадок. Например, каким образом появляются мутации, какие молекулярные изменения в ДНК ведут к мутациям? Совершенно новый этап в этой работе связан с тем, что в клетке открыта система ферментов, которые устраняют повреждения, возникающие в ДНК под влиянием всяких воздействий. Поэтому ДНК, несущая генетическую информацию, сохраняет устойчивость в клетке не потому, что ей, так сказать* присуще извечно какое-то свойство исключительной стабильности или неизменности; нет, ДНК меняется все время под влиянием всяких воздействий, но ферменты, двигаясь по хромосоме, постоянно проверяют ее структуру, и, как только в ней возникло нарушение, они ее исправляют очень своеобразным путем. Они вырезают из двойной спирали молекулы ДНК одну нить в том месте, где возникло поражение, и получается брешь, откуда это повреждение изъято; эта брешь застраивается при помощи репарационного синтеза по другой, нормальной нити, которая была не затронута таким ферментом (эндонуклеазой), и восстанавливается картина нормальной хромосомы, нормальной ДНК. Вот эта защита молекул ДНК такими ферментами, как показали наши работы, небезразлична и для процессов мутаций. И вот — понять, как первичные повреждения, возникающие в молекулах ДНК, превращаются в мутации — это сейчас один из коренных вопросов всей теории мутаций. Сейчас все крупные лаборатории работают в этом направлении, и нам удалось сформулировать определенные представления, определенную гипотезу. Год тому назад состоялся международный конгресс генетиков в Токио. Там на заключительном пленарном заседании моя речь была посвящена как раз работам института в этом направлении и перспективам, которые здесь заложены. Я думаю, что единство, так сказать, внешнего и внутреннего очень глубоко проникает в понимание процесса мутации. Внешние факторы, такие как химические факторы и радиация, изменяют структуру ДНК; мы можем ее изменить в любом количестве, а затем такие внутренние факторы, как ферменты, как строение ДНК, как само изменение молекулы, определяют, произойдет мутация или нет. Здесь скрыты новые пути для управления мутациями, потому что мы можем управлять жизнью клетки, метаболизмом, можем влиять на работу ферментов и также вмешиваться в процесс мутаций.

—           Если между первичным повреждением и проявлением мутации существует какой-то промежуток времени, очевидно, в таком случае имеется своеобразная память, которая сохраняет этот эффект до проявления?

—           Да, сейчас и в нашей лаборатории развиты представления о существовании так называемых потенциальных изменений. В наших работах доказано, что такая память, в хромосоме во всяком случае, хранится месяцами, и мы через месяцы после обработки, скажем, сухих семян мутагенами можем вызвать мутации из этого потенциального поражения. Молекулярная природа этих своеобразных состояний до сих пор не раскрыта. Здесь кроется одна из главных загадок. И как на это потенциальное поражение накладывается работа ферментов, в данном случае определяющих переход этих потенциальных поражений в истинные мутации, — это очень важно. Память скорее заложена в самой молекуле ДНК в какой-то форме, а работа ферментов позволяет эту память реализовать в настоящие мутации.

—           Мутации действуют не только на половые, но и на соматические клетки. Означает ли это, что ваши работы по антимутагенезу открывают новые возможности также для предотвращения старения и борьбы с раком?

—           Да, имеется такая точка зрения, что процессы старения связаны каким-то образом с мутациями соматических клеток: как-то нарушается взаимодействие ядра и цитоплазмы, происходит неправильное считывание генетической информации, словом, и процессы старения связаны с протеканием естественных мутаций. Ну, что касается рака, то тут, видимо, сомнений нет: все-таки рак — это изменение наследственной информации клетки. В чем оно состоит, каким образом так накапливаются мутации и нарушается считывание генетического кода, что это приводит к злокачественному росту, какую роль в этом процессе имеют вирусы — все это пока не ясно, но то, что это какая-то категория нарушений в генетической информации, в этом сомнений нет. И в этом смысле разработка проблемы антимутагенов очень важна. Важна потому, что позволяет предотвращать проявление мутаций, уменьшать фон естественного мутирования, что, конечно, послужит барьером на пути и к раку, и к старению. Это имеет также значение для борьбы с генетическим грузом человека. Ведь по статистике 4% детей рождаются отягощенные наследственными дефектами. Это, так сказать, одно из проявлений отрицательной стороны биологии человека. Если мы могли бы разработать методы уменьшения частоты мутаций, если удалось бы при помощи антимутагенов снизить уровень естественного мутирования в половых клетках, это было бы серьезным шагом в борьбе с наследственными заболеваниями человека. Тут появилась бы возможность не только лечить «наследственных» больных, но и, не позволяя изменяться самим нормальным генам, предупреждать их появление.

—           Выделены ли уже какие-нибудь вещества, которые можно было бы использовать в медицине для этой цели?

—           Нет, пока все-таки таких веществ для медицины нет. Идут пока разработки на уровне растительных клеток, на уровне культуры тканей, но никаких рекомендаций еще нет. Но я думаю, что они довольно скоро появятся.

—           Что Вы хотели бы пожелать читателям журнала «Наука и техника»?

—           Вообще — получить побольше знаний при помощи этого интересного журнала. И в частности, чтобы журнал проповедовал и нашу науку — биологию, особенно генетику. Мне бы хотелось, чтобы ваш журнал сыграл свою роль в деле создания таких новых кадров, которые пошли бы в нашу науку, поняли ее значение. Он может это сделать.

Тэги: генетика, задачи генетики, методы генетики, развитие генетики в ссср, генетика в ссср, генная инженерия, методы генной инженерии, генные мутации, методы генной инженерии