Gemulii lui Darwin au biruit bariera Weismann • Tatyana Romanovskaya • Știința științifică despre "Elemente" • Genetica, evoluția

Darwin gemmules a biruit bariera Weismann

Fig. 1. Reprezentări schematice ale teoriei pangenezei lui Darwin (A) și ale teoriei lui Weismann (B). Imagine din cartea lui E. Steele, R. Lindley, R. Blandand "Ce se întâmplă dacă Lamarck are dreptate", cu modificări minore

Oamenii de știință italieni au decis să verifice dacă trăsăturile dobândite pot fi transmise descendenților prin transferul direct al moleculelor ARN specifice de la celule somatice la germeni. Pentru a face acest lucru, șoarecii au fost transplantate subcutanat uman cu celule de melanom umane cu o genă proteică integrată fluorescentă verde. Așteptările au fost justificate: moleculele de ARN ale unei gene străine, acumulate în celulele transplantate, s-au găsit nu numai în sângele animalelor experimentale, ci și în spermatozoizii lor. Astfel, pentru prima dată, a fost demonstrat clar că, așa cum a sugerat Charles Darwin în teoria sa despre gemmul și pangenesis și contrar teoriei așa-numitei barieră Weismann, informațiile genetice pot fi de fapt transferate de la celule somatice la celule sexuale, cel puțin sub formă de ARN.

Exista doua nivele de informatie acum recunoscute, pe baza carora functioneaza toate celulele vii si organismele multicelulare.Primul nivel este informația genetică (text din patru tipuri de baze nucleice care codifică secvențe de aminoacizi în proteine ​​celulare și stocate în cromozomi). Modificările (mutațiile) apar în secvențele nucleotidice ale cromozomilor cu o anumită frecvență. Dacă aceste mutații apar în cromozomii celulelor germinative, atunci există variații (alele) de gene care sunt moștenite în conformitate cu legile clasice ale lui Mendel.

Al doilea nivel este informația epigenetică (un set extins de mecanisme care determină condițiile, locul și timpul citirii informațiilor genetice). Pe baza informațiilor epigenetice, se efectuează reglarea genelor, iar diferențele în această reglementare afectează grav manifestările fenotipice ale acelorași gene în diferite persoane. Pentru a înțelege cât de largi sunt posibilitățile de informare epigenetică, este suficient să ne amintim că toate celulele corpului nostru, de la celulele pielii la neuroni și eritrocite, conțin aceleași cromozomi cu aceleași gene și diferă doar prin variații epigenetice.

Modificările informațiilor epigenetice (epimulării) apar mult mai des decât în ​​informațiile genetice.Epimutările se bazează pe modificările chimice specifice ale ADN-ului real (metilarea / demetilarea citozinelor) sau proteinele histonei legate de ADN, iar enzimele și regulatorii specifici, incluzând atât proteine, cât și ARN de reglementare specială, lucrează în celulă pentru a efectua aceste modificări chimice. În esență, variația epigenetică se bazează pe așa-numita variabilitate a modificărilor, ceea ce implică răspunsuri adaptive condiționate fiziologic ale organismului la influențele mediului.

Pe măsură ce dogma teoriei sintetice a evoluției a fost postulată, variabilitatea modificărilor nu este moștenită, limitată doar la celulele somatice, țesuturile și organele. Această dogmă vine de la Augusta Weisman, care a respins teoria darwiniană a pangenezei (conform căreia în celulele corpului se formează mici particule mici, care conțin informații despre schimbările pe care celulele le-au suferit în timpul vieții și le transmit celulelor germinale cu flux sangvin; Fig.1, de mai sus) și a insistat asupra absenței oricărui canal de comunicare între celulele somatice și germeni (așa-numita "barieră Weismann";1, de mai jos) și, ca o consecință, asupra imposibilității fundamentale de moștenire a caracteristicilor dobândite.

Cu toate acestea, de la mijlocul secolului al XX-lea, sa constatat că unele epimutări în plante tind să fie transmise într-o lungă serie de generații (pentru unul dintre aceste cazuri, vezi Mecanismul eredității non-mendeliană rămâne misterios, Elements, 17 octombrie 2007). Acest fenomen se numește ereditate transgenică epigenetică. Deseori, natura epigenetică a moștenirii poate fi identificată prin caracterul non-mendelian al împărțirii trăsăturilor analizate în descendenți: purtătorii noii trăsături apar în descendenți mai mult decât ar trebui să fie în conformitate cu schema clasică a moștenirii genetice. Un alt semn că avem de-a face cu epimutările și nu cu mutații reale este că variația fenotipică indusă de anumite condiții treptat "dispare" într-un număr de generații dacă condițiile de inducție nu sunt susținute în viitor. În plus, în ultimul deceniu, date despre existența eredității transgenice epigenetice s-au acumulat la animale, inclusiv la mamifere (a se vedea, de exemplu,Existența durabilă a populației este asigurată de "memoria generațională" non-genetică, "Elementele", 3 iulie 2007, iar informațiile moștenite sunt înregistrate nu numai în DNA, "Elements", 1 iunie 2006).

Poate cel mai impresionant dintre aceste studii este articolul publicat în revista Parental olfactory experience care influențează comportamentul. Natură Neuroștiință la începutul anului 2014. În acest studiu, autorii au dezvoltat un reflex de evitare în ceea ce privește mirosul de acetofenonă (un compus aromatic natural prezent în aroma cireșelor de păsări) la șoarecii masculi, alimentând descărcările de curent electric în camera experimentală simultan cu acetofenona și apoi descendenți de la trecerea masculilor instruiți cu femele neinstruite. Frumusețea designului experimentului a fost că proteina receptorului pentru acetofenonă și gena care îl codifică au fost bine cunoscute, astfel încât rezultatele ar putea fi înregistrate la toate nivelurile, de la expresia genelor până la anatomia epiteliului olfactiv și modificările comportamentului animalului.

Analiza atentă a constatat că la șoareci din descendenți, în primul rând, numărul de celule cu un receptor pentru acest compus în epiteliul olfactiv a fost crescut.În al doilea rând, animalele au fost mai sensibile la mirosul corespunzător: animalele au prezentat un răspuns mai pronunțat la adresa pericolului (sunet puternic) în prezența acetofenonei (dar nu a propanolului, care este recunoscută de alte celule sensibile cu alți receptori). De asemenea, s-a dovedit că în sperma șoarecilor instruiți și al puilor lor, nivelul de metilare a genei a fost redus, ceea ce, de fapt, codifică receptorul pentru acetofenonă. Efectul a fost menținut în două generații de descendenți, care nu au trecut de formarea corespunzătoare.

Autorii exclud posibilitatea ca epimutul care afectează gena receptorului acetofenonei în spermatozoizii animalelor experimentale a apărut întâmplător, deoarece modificările identice ale fenotipului puilor la toate nivelurile au fost reproduse bine în timpul reproducerii repetate a experimentului. Rezultate similare au fost obținute dacă femelele au fost instruite în generația părintească. Prin acest proiect al experimentului, șoarecii nou-născuți au fost transferați imediat unei mame adoptive netratite, astfel încât factorul social a fost exclus.

Până în prezent, agenții cei mai promițători pentru transferul și inducerea epimutărilor par a fi ARN-ul de reglementare, caracterizat prin capacitatea de a schimba starea de cromatină și expresia genelor pe anumite regiuni cromozomiale cu specificitate ridicată. În 2010, un grup de autori a publicat o revizuire sumară descriind un număr de experimente pe care le-au efectuat cu privire la inducerea eredității epigenetice transgeneraționale la șoareci, unde rolul-cheie al ARN în realizarea acestei eredități a fost dovedit convingător (M. Rassoulzadegan, F. Cuzin, 2010. : Controale de dezvoltare mediate de ARN la șoareci).

Există, de asemenea, candidați pentru rolul vehiculelor pentru transferul între celulele RNA de reglementare: acestea sunt veziculele extracelulare – veziculele membranare produse de celulele tuturor țesuturilor corpului și capabile să transfere conținutul lor la alte celule, inclusiv alte țesuturi. (Pentru detalii despre veziculele extracelulare, în special despre exosomi, vezi și știrile. Celulele corpului comunică folosind mesajele ambalate în microbesicule, Elements, 28 decembrie 2010, iar articolul Exosomes este recipientul de sticlă al corpului.) Trebuie remarcat faptul că producerea acestor vezicule este procesul este activ, specific țesutului și dependent de starea fiziologică a celulelor.În special, producția lor crește dramatic atunci când celulele suferă de stres și, în aceste condiții, conținutul lor, inclusiv diferite proteine, matrice și ARN-ul de reglementare, se schimbă, de asemenea. În membrana acestor vezicule, pot fi prezente "adrese de livrare" ale pointerilor sub formă de receptori specifici țesuturilor, asigurând natura ne-aleatoare a acestei forme de comunicare intercelulară.

Acestea sunt toate argumentele și ipotezele, dar, în practică, până acum nimeni nu a venit să verifice dacă moleculele de ARN pot fi livrate efectiv din celulele somatice la celulele sexuale și, dacă da, dacă exosomii participă la aceasta. Un studiu realizat de oamenii de știință italieni, care viza îndeplinirea acestui decalaj. Schema experimentului pusă de autori este extrem de simplă, este arătată în Fig. 2.

Fig. 2. Schema experimentului privind transferul de informații de la celule somatice la spermatozoizi. Explicațiile sunt date în text. Cifre din articolul discutat în PLoS Unul

Gena liniei melanomului verde A-375 a fost introdusă utilizând un vector viral la o genă de proteină fluorescentă verde (GFP), care nu este prezentă inițial în genomul uman sau în genomul de șoarece, care este ușor de distins de produsele endogene.Succesul operatiei a fost verificat printr-o serie de teste care au demonstrat ca gena introdusa in ADN, ca aceasta gena acumuleaza ARN-ul matricei si ca aceasta proteina este acumulata pe acest matrice ARN (care determina celulele sa lumineze verde, asa cum se vede in fotografie). Exosomii produși și eliberați de celulele modificate în mediul de cultură au fost, de asemenea, colectați și purificați. A efectuat aceleași teste. Sa constatat că ADN-ul genei GFP nu este prezent în exosomi, dar sunt prezente ARN și proteina GFP în sine. În cele din urmă, celulele melanomului uman modificate au fost injectate subcutanat la șoareci (imunodeficient, astfel încât nu există nici o respingere a celulelor umane). Linia celulară a fost aleasă pe baza faptului că, conform datelor preliminare, aceste celule au supraviețuit bine pe linia de șoarece utilizată și au produs exoziții intensive, ceea ce a sporit șansa obținerii unui rezultat pozitiv. Studiul a implicat 25 de animale, dintre care cincisprezece (grupul experimental) au fost inoculate cu celule modificate (cu gena GFP) și alte zece (grupul de control) – nemodificate.

După 45 de zile (până în acest moment, celulele transplantate au avut timp să se înmulțească și tumora nou formată a avut un volum de aproximativ 1 cm3a) a efectuat un studiu final. În primul rând, s-au efectuat teste pentru prezența ARN GFP în sângele animalelor (a fost utilizat un produs de sânge mixt de 10 animale din lotul experimental). Pentru analize utilizate metode de PCR și hibridizare a acizilor nucleici. Rezultatul a fost pozitiv. Apoi s-au asigurat că ARN-ul genei GFP se găsește în exosomi purificați din sângele aceluiași grup de animale experimentale. Și, în final, același ARN a fost detectat în spermatozoizi. Preparatele de ARN de sperma au fost de asemenea preparate dintr-o probă mixtă de la 10 animale și au primit din nou un rezultat pozitiv. ARN-ul genei GFP a fost detectat cu succes într-o probă mixtă de spermatozoizi obținută de la încă două animale din grupul experimental. Analiza suplimentară a probelor individuale de ARN de spermatozoizi din cele trei animale rămase a dat un rezultat negativ și două rezultate pozitive. În paralel, s-au efectuat proceduri și analize similare pentru probele de sânge, exosomii și spermatozoizii din animalele din grupul martor. Așa cum era de așteptat, niciuna dintre aceste probe nu a arătat ARN-ul genei GFP, deși reacțiile la prezența ARN-ului propriilor gene au fost pozitive atât în ​​grupurile experimentale, cât și în cele de control.

Autorii au concluzionat că nu există o astfel de barieră insurmontabilă care ar face imposibilă transferul informațiilor genetice între celulele somatice și germeni și, prin urmare, teoretic, transferul ARN-ului cu exosomii poate funcționa ca unul dintre mecanismele care asigură moștenirea epigenetică transgenică achiziționate de părinți de modificări adaptive. Desigur, designul experimentului a sugerat crearea unei situații destul de nenaturale: la urma urmei, gena era extraterestră și celulele donatoare în sine, dar cu atât mai mult era de așteptat să fie declanșarea barierului de protecție, dacă există într-adevăr. Și este chiar mai probabil ca procesele similare să poată avea loc în fiziologia naturală.

Cât de precis a detectat fenomenul corespunde pangenezei darwiniste? Ideea lui Darwin a fost că gemmulgele, transferând niște substanțe din celulele somatice la celulele sexuale, pot schimba materialul de ereditate într-o direcție corespunzătoare adaptării dezvoltate la nivelul țesuturilor somatice și, astfel, favorizează realizarea unei evoluții direcționate adaptiv.Dar ereditatea epigenetică, așa cum am menționat mai sus, este instabilă și ușor reversibilă, în timp ce, vorbind despre evoluție, ne referim la unele modificări reversibile stabile și dificile, fixate în genotip. Transferul de ARN în compoziția exosomilor poate furniza o schimbare genomică direcționată?

Putem presupune existența mai multor modalități de influență. În primul rând, ARN-urile de reglementare determină schimbări locale în starea de cromatină, care ar trebui să aibă un efect precis asupra distribuției probabilităților evenimentelor mutaționale asupra ADN-ului în diferite zone. În al doilea rând, având în vedere activitatea înaltă a transcriptazei reversibile în spermatozoizi și predecesorii lor, există posibilitatea de a dobândi noi retrogeni în timpul transcrierii inverse din ARN-ul șablon sau în secvențele de editare deja prezente în genom prin mecanismul de conversie (schimbarea secvenței de nucleotide din genom prin " dar nu secvență identică pe matricea exterioară, incluzând șablonul ARN sau copia sa ADN). În al treilea rând, având în vedere datele articolului examinat,unde transferul unei gene complet străine între celule de diferite tipuri (și anume, de la celulele melanomului uman la celule genitale de șoarece) cu participarea exosomilor de ARN, rolul acestui mecanism în transferul de gene orizontal nu poate fi exclus. Aici putem aminti, de exemplu, nematodele în care genele genelor de origine bacteriană au fost inserate cumva, datorită cărora aceste organisme au reușit să se adapteze la parazitismul efectiv pe plante (vezi Gene bacteriene ajută la parazitarea nematodelor pe plante, Elemente, 18.10. 2010).

Sursa: C. Cossetti, L. Lugini, L. Astrologo, I. Saggio, S. Fais, C. Spadafora. Transmiterea de la soare la germline a șoarecilor la șoareci xenograftați cu tumori umane: transport posibil prin exosomi // PLoS Unul. 2014. V. 9 (7): e101629.

Vezi și:
1) B. G. Dias, K. J. Ressler. Experiența olfactivă parentală a generațiilor următoare // Natură Neuroștiință. 2014. V. 17. P. 89-96.
2) M. Rassoulzadegan, F. Cuzin. Realizarea unui organ: controale de dezvoltare mediate de ARN la șoareci organogeneza. 2010. V. 6. P. 33-36.
3) E. Steele, R. Lindley, R. Blandin. – Și dacă Lamarck are dreptate? M: Pace. 2002.
4) A. Markov "De la Lamarck la Darwin … și înapoi" // "Ecologie și viață" №1, 2008.

Tatyana Romanovskaya


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: