Беседы с учеными.

На пороге нового направления - радиационной биологии гена.

Семинар доктора биологических наук, старшего научного сотрудника, руководителя генетической группы Лаборатории ядерных проблем И. Д. Александрова на тему “Радиационные трансмутации гена: парадигмы и проблемы” собрал много слушателей. Как сказал он позже, для него был полной неожиданностью такой интерес к докладу со стороны физиков, ведь речь шла об очень специфической области биологии - радиационной генетике. Сам ученый занимается этой проблемой с 1961 года, он ученик таких выдающихся генетиков, как Н. П. Дубинин, Н. В. Тимофеев-Ресовский, работал в Обнинске, а с 1989 года - в Дубне.

Наша беседа после семинара проходила маленьком домике, что стоит за ЛНФ. в генетической группе ЛЯП. Много раз я проходила мимо него и не знала, что за этими облупившимися стенами находится таинственный мир, захватывающий исследователя полностью, не дающий ему “ни сна, ни отдыха”, где эксперименты ведутся на классическом генетическом объекте - дрозофиле.

Игорь Донатович, а не установлен ли где-нибудь в мире памятник этой замечательной мухе?

Пока нет, но, думаю, будет. Ведь это удивительный и благодатный объект исследования. Впервые ее начал изучать Томас Морган в начале нашего века, затем с ней работали Герман Меллер, Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский и многие другие известные ученые, целый ряд которых стал лауреатами Нобелевской премии. Тысячи современных генетиков продолжают изучать на дрозофиле как главном объекте исследований актуальные проблемы биологии и генетики. Почему именно на ней? Эта мушка имеет ряд преимуществ перед другими живыми объектами. Во-первых, она имеет короткий цикл жизни - всего 11 дней, во-вторых, она легко разводится в лабораторных условиях, в-третьих, у нее всего четыре пары хромосом, а организация генома в принципе такая же, как у человека. Наконец, и это особенно важно, она позволяет изучать именно те изменения генов и хромосом, которые наследуются (то есть передаются потомкам). Вот эти преимущества и позволили маленькой плодовой мушке стать главным экспериментальным объектом: легко было изучать изменения и действие гена, для чего были разработаны соответствующие методы генетического, цитологического, а сейчас и молекулярного анализа.

На семинаре вы выступили с большим обобщением, представили аудитории впечатляющие результаты исследований за 10 лет работы в ЛЯП. Расскажите, пожалуйста, об этих исследованиях.

Задача семинара - познакомить научную общественность с результатами нашей работы начиная с 1989 года и направлениями дальнейших исследований.

Научная проблема, над которой мы работаем - радиационные трансмутации гена - чрезвычайно важна. Это очевидно: ген - в переводе с греческого - род, происхождение (этот термин был введен в научную практику в 1909 году Вильгельмом Иогансеном) является основой жизни, и все изменения гена, которые являются наследственными, имеют наибольший интерес для человека. Радиация - это один из мощных экологических факторов, и изучение закономерностей изменения гена под влиянием разного вида излучений - актуальная задача современной радиационной генетики и молекулярной биологии вообще. Я уверен, что мы стоим на пороге нового научного направления ХХI века - радиационной биологии гена, предполагающего изучение изменений гена с учетом его тонкой структуры и всех взаимосвязей в сложной системе ген - геном.

На семинаре я счел необходимым коснуться истории вопроса и некоторых классических представлений (парадигм) по данной проблеме.

Само открытие изменения гена под влиянием радиации было сделано на дрозофиле в 1927 году Германом Меллером, работавшим в группе американского ученого Томаса Моргана. Меллер еще до радиационных исследований показал, что повышенная температура вызывает у данного организма изменения генов. С именем этого ученого связано рождение радиационной генетики как самостоятельного раздела науки о наследственности.

В 30-е годы сформировались две школы отечественной радиационной генетики, вплотную занявшихся изучением радиационных изменений гена на дрозофиле. В России это - Александр Сергеевич Серебровский, Николай Петрович Дубинин и другие, а в Германии - Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский, куда он был командирован для проведения научных исследований в Берлинский институт мозга.

Пик работ по исследованию изменений гена под действием радиации приходится на 30-е годы. В 1946 году в своей Нобелевской лекции, подводя итоги сделанного, Герман Меллер выделил три основных типа изменений гена, которые проявляют себя как его мутации.

Первое - точковые (микро-изменения); цитологически они не видны, их можно изучать только путем генетического и сейчас молекулярного анализа.

Второе - многолокусные делеции (потери нескольких генов). Что это значит? Когда действует радиация, может теряться часть хромосомы, содержащая изучаемый ген и ряд смежных генов. Цитологически у дрозофилы эти потери видны. Дело в том, что когда в облученной хромосоме выпадает фрагмент, нормальная хромосома, тесно связанная с облученной, делает петлю. Это уже макро-изменения.

И, наконец, третий - “эффект положения”. Когда радиация “рвет” в двух местах хромосому, один из разрывов может проходить рядом с геном. Фрагмент хромосомы между разрывами инвертируется, в результате ген переносится в новое положение в хромосоме. При этом нарушается его функция, так как он попал в новое генетическое окружение. Имеет ли такой ген “точковые” изменения - вопрос, который до сих пор остается открытым. Таким образом, генные мутации связывали с этими тремя основными типами повреждений, о которых говорил Меллер в своей Нобелевской лекции.

Но поскольку тогда не было тонких молекулярных методов исследования, многое существовало в виде предположений, гипотез, и эти вопросы перешли в наше время. В те же тридцатые годы Тимофеевым-Ресовским и другими учеными был проведен количественный анализ, показана линейная зависимость частоты генных мутаций от дозы. А дальше было следующее - Николай Владимирович и физики, работавшие с ним, - Карл Циммер и Макс Дельбрюк - написали в 1935 году совместную статью. Ознакомившись с этой работой, Эрвин Шредингер написал в 1944 году свою известную книгу “Что такое жизнь?.. С точки зрения физика”, которая привлекла внимание многих исследователей, в том числе Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика. Именно они в 1953 году сделали открытие - доказали что носителем наследственности является ДНК. Позже ген был идентифицирован как дискретная часть ДНК.

Однако сейчас выяснилось, что классический принцип дискретности генов (атомов наследственности, по образному выражению Сэмуэля Бензера) справедлив и на уровне тонкой внутренней структуры гена. В настоящее время уже изучены многие гены дрозофилы, животных и человека, и оказалось, что ген раздроблен, то есть, информационные (смысловые) последовательности оснований ДНК разобщены неинформационными (“бессмысленными”). Дискретные смысловые части получили название экзоны, а перемежающие их “бессмысленные” - интроны. Например, один из генов дрозофилы, который дает небольшой белок, занимает пространство в 40 тысяч оснований, из которых смысловыми оказываются около 3 тысяч, а все остальные - “бессмысленные” - образуют интроны.

Я рассказал на семинаре физикам о тонкой структуре гена, потому что мы должны знать, как устроен предмет изучения, чтобы понять, как он изменяется и каковы последствия изменений.

Какие результаты своих исследований вы считаете наиболее важными?

Результаты проведенной нами работы дают нам сейчас основание говорить не о трех, как ранее, а о 16 типах изменений гена под влиянием радиации. Среди них я выделил бы как принципиально новые изменения, в основе которых лежат разрывы ДНК, проходящие через сам ген, и их не случайная локализация внутри гена. Эти интересные и очень важные результаты свидетельствуют об имманентном свойстве гена не случайно рваться под действием радиации. Важно отметить, что ген разрывают оба изученных нами вида радиации (фотоны и нейтроны), причем, нейтроны чаще. Эти результаты были для нас неожиданными, так как раньше считалось, что разрыв хромосомы проходит рядом с геном. Для того, чтобы получить об этом представление, нужно было провести много экспериментов и проанализировать очень большую выборку радиационных мутантов. Важная задача - сохранить их для анализа, весьма трудоемкого и продолжительного по времени. За многие годы работы нами собрана большая и уникальная по составу генетическая коллекция радиационно-индуцированных генных мутаций дрозофилы (около 1000 линий). Эта коллекция широко известна в нашей стране и за рубежом. Значительную часть ее представляют мутации, полученные после нейтронного облучения. Действие нейтронов на ген нас давно интересует, и первые эксперименты с ними мы сделали в Обнинске на реакторе ФЭИ. Одновременно ездили в ЛНФ ОИЯИ к Владимиру Максимовичу Назарову, он всегда шел нам навстречу. Используя все методы исследований (цитологический, генетический, молекулярный), мы для двух разных генов получили сходные результаты: разрывы хромосом регулярно проходят через ген, так что сам он становится чувствительной “мишенью” для хромосомных изменений; эти разрывы внутри гена распределены не случайно, а в определенных местах внутри интронов; такие разрывы часто сопровождаются делециями, то есть потерями самого гена или его фрагментов. Именно на этих результатах я подробно остановился на семинаре.

За 70 лет радиационная генетика прошла огромный путь, обогатилась новыми методами исследований, какие из них вы используете в своей работе?

Современный анализ трансмутаций гена требует комплексного подхода, включающего цитологический, генетический, а также разнообразные методы молекулярной биологии и генетики. Именно последние позволили нам определить, что интрон является чувствительной “мишенью” для радиационного разрыва гена, своеобразной “ахиллесовой пятой”, что радиационные разрывы хромосомной ДНК регулярно происходят внутри гена. Сейчас мы ставим задачу выяснить природу “слабых” мест гена. Почему именно здесь происходит разрыв? Почему интроны являются “горячим” местом гена для его радиационных разрывов? Для чего интроны нужны и почему они сохранились в эволюции - эти вопросы требуют дальнейших исследований. Говоря о современных молекулярных методах изучения гена и его изменений, важно отметить их трудоемкость и дороговизну. Имеющиеся у нас гранты (сейчас их три) лишь частично покрывают необходимые расходы. В этой связи трудно переоценить внимание и поддержку со стороны дирекции ЛЯП, которые мы постоянно ощущаем.

В заключение - несколько слов о развитии наших исследований по изучению радиационных трансмутаций гена. Они связаны не только с дальнейшей разработкой проблемы образования “точковых” и структурных изменений и их распределения на карте гена у дрозофилы, то есть выяснением фундаментальных закономерностей действия радиации разного качества на ген, но и с изучением изменений в онкогенах при радиационном раке у человека.

Почему это важно? Дело в том, что изменения онкогена приводят к развитию раковой клетки. Недавно американцы провели исследования щитовидной железы у детей из Белоруссии, пострадавших от Чернобыльской аварии. Рак среди этих детей вырос на два порядка. Западные ученые увидели, что определенный онкоген (его назвали Ret) чаще всего меняется при раке щитовидной железы. Каковы же изменения у этого онкогена? Примерно в 60 процентах случаев этот ген Ret был разорван, причем. разрывы проходят через определенный интрон, соседствующий с очень важным доменом (районом гена), определяющим раковые свойства гена. Для нас очень важно то, что наши результаты о преимущественном разрыве гена по интронам при воздействии радиации подтверждены независимыми наблюдениями ученых Америки и Европы над онкогеном. Теперь ясно, что надо изучать не только экзоны, но и интроны онкогенов для того, чтобы понять природу радиационного рака.

В Обнинске лечится примерно 100 детей из Брянской, Тульской, Орловской и Калужской областей, пострадавших от Чернобыльской аварии. Это дети, которым во время аварии было от 1 месяца до 8 лет. Теперь среди больных есть уже родившие молодые женщины - роды как бы подстегнули раковые изменения. Ясно, что эти раки - радиационные, они очень злокачественные, быстротекущие, имеют характерную гистологию. К сожалению, человек поставил над собой опыт, никуда не денешься. Обнаружим ли мы те же разрывы онкогена RET, что установили западные ученые или другие трансмутации этого онкогена - покажут результаты совместной с обнинскими коллегами работы, основанной на методологии наших исследований на дрозофиле.

Беседовала Надежда КАВАЛЕРОВА