История эпигенетики: 9-45 симпозиумы Колд Спринг Харбор
В 1941 году, во время 9-го симпозиума, великий генетик- дрозофилист Герман Меллер (Н.J. Muller) описал результаты дальнейшей разработки явления, первоначально названного им "eversporting displacement", - явления, когда крупные хромосомные перестройки приводили к мутантной мозаичной экспрессии генов вблизи точки разрыва ( Muller, 1941 ). Ко времени симпозиума он называл это " мозаицизмом, обусловленным эффектом положения (position effect variegation). Было надежно установлено, что затрагиваемые гены были перенесены "в соседство с гетерохроматиновым районом", что перенесенные эухроматиновые участки "были частично, но в разной степени, трансформированы в состояние гетерохроматина - "гетерохроматинизированы" - и что добавление экстракопий гетерохроматиновых хромосом "позволяло затронутому гену становиться более нормальным в своем функционировании". В то время это последнее наблюдение вызывало недоумение и было неожиданным, хотя теперь мы знаем, что это результат титрования лимитирующих компонентов гетерохроматина.
На 16-м симпозиуме (1951) высший приоритет имело детальное понимание гена. Этим можно объяснить, почему в понимании мозаицизма, обусловленного эффектом положения (PEV) , имел место незначительный прогресс, хотя и были открыты новые примеры этого явления. Однако первый докладчик отметил, что PEV станет захватывающей областью будущих исследований ( Goldschmidt, 1951 ). Барбара МакКлинток отметила, что хромосомные эффекты положения являются основой различий в "мутабильных локусах" кукурузы, и высказала предположение, что наблюдавшаяся ею изменчивость мутабильности, возможно, коренится в тех же механизмах, что лежат в основе PEV у Drosophila ( McClintock, 1951 ).
Ко времени 21-го симпозиума идеи МакКлинток о "контролирующих элементах" получили дальнейшее развитие ( McClintock, 1956 ). Две из них имели особо близкое отношение к эпигенетике. В системе контролирующего элемента Spm она обнаружила варианты, позволившие ей различать транс-действующие факторы, которые могут "подавлять" ген (уменьшать или устранять его фенотипическое выражение), а не заставлять его мутировать. Она также отметила, что некоторые контролирующие элементы могли подавлять действие гена не только в том локусе, куда они вставлены, но и в локусах, которые расположены на некотором расстоянии с той или другой стороны от него. Другие исследователи также обнаруживали этот "эффект распространения". Шульц представил биохимические и физические характеристики целых Drosophila, содержащих разные количества гетерохроматина ( Schultz, 1956 ). Хотя эта работа была весьма примитивной, а сделанные на ее основе выводы имели ограниченное значение, она явилась примером первых попыток расчленить структуру гетерохроматина и продемонстрировала, насколько трудной окажется эта проблема.
Два сообщения на 23-м симпозиуме явились вехами в свете 69-го симпозиума.
Во-первых, Бринк описал свои ошеломляющие наблюдения "пара- мутаций" в локусе R у кукурузы. Если две аллели (Rst и Rr) с разными фенотипами в гомозиготном состоянии комбинируются и образуют гетерозиготу, и это растение Rst/Rr, в свою очередь, снова скрещивается, получающееся в результате потомство, которое содержит аллель Rr, всегда будет иметь фенотип Rst хотя аллель Rstбольше не присутствует ( Brink, 1958 ). Однако этот фенотип является метастабильным - в последующих скрещиваниях он ревертирует к нормальному фенотипу Rr. Бринк предполагал, что слово " парамутация " "должно использоваться в этом контексте в своем буквальном смысле, как указывающее на явление, отличное от мутации, но и не полностью непохожее на нее".
Во-вторых, Нэнни пошел очень далеко в попытках сформулировать концептуальные и операциональные различия между генетическими и эпигенетическими системами ( Nanney, 1958 ). По существу он определил эпигенетику иначе, чем первоначально предполагалось Уоддингтоном (Waddington, см. Haig, 2004 ). Он счел необходимым поступить таким образом для того, чтобы описать явления, наблюдавшиеся им у Tetrahymena. Им были получены данные о том, что происхождение цитоплазмы конъюгирующих родительских клеток влияет на детерминацию типа спаривания получающегося потомства. Данное Нэнни определение охватывало и наблюдения, сделанные другими исследователями, включая работу Бринка по локусу R и работу МакКлинток, отмеченную на 21-м симпозиуме.
На 29-м симпозиуме значительный интерес вызвала гипотеза инактивации Х-хромосомы у самок млекопитающих, незадолго до этого предложенная Мэри Лайон ( Lyon, 1961 ). Гартлер, Бойтлер и Нанс представили новые данные в ее поддержку ( Beutler, 1964 ; Gartler and Linder, 1964 ; Nance, 1964 ). Бойтлер дал обзор многочисленных примеров мозаичной экспрессии сцепленных с X генов у женщин, которые свидетельствовали в пользу случайной природы Х-инактивации. Основываясь на тщательном количественном анализе продукта гена, сцепленного с X, Нанс заключил, что инактивация Х-хромосомы происходит до наступления 32- клеточной стадии эмбриона.
38-й симпозиум на тему "Структура и функция хромосом" явился возвратом к изучению эукариотических хромосом - к этому времени значительный прогресс был достигнут в изучении прокариотических и фаговых систем, и, как следствие, в расцветающей области молекулярной биологии в мышлении в основном доминировала экспрессия бактериальных генов. Однако росло и понимание роли хроматина (ДНК с гистонами и негистоновыми белками) у эукариот, но было неясно, связана ли его роль со структурой хромосомы, с ее функциями или же и с тем, и другим ( Swift, 1974 ). Тем не менее, несколько групп высказали предположения, что с транскрипцией генов или с общей структурой хромосом связана посттрансляционная модификация белков хроматина, в том числе гистонов ( Allfrey et al., 1974 ; Louie et al., 1974 ; Weintraub, 1974 ). В воздухе витал лишь намек на эпигенетические явления. Высказывались гипотезы о том, что у эукариот большинство генов регулируются повторяющейся ДНК - отчасти исходя из того факта, что открытые МакКлинток контролирующие элементы повторены в геноме. Сообщалось, однако, что большая часть повторяющихся нуклеотидных последовательностей ДНК не сцеплена с генами ( Peacock et al., 1974 ; Rudkin and Tartof, 1974 ). С учетом этих наблюдений идея о том, что повторяющиеся элементы регулируют экспрессию генов, в значительной мере утратила поддержку со стороны присутствовавших. Что, однако, более важно, в этих же самых исследованиях обнаружилось, что большая часть повторяющейся ДНК локализована в гетерохроматине.
42-й симпозиум продемонстрировал, что за четыре года поразительное количество технических и интеллектуальных достижений полностью преобразили изучение эукариотических хромосом ( Chambon 1978 ). К их числу относились использование ферментов рестрикции ДНК, разработка технологии рекомбинантных ДНК, рутинное разделение белков и нуклеиновых кислот, возможность проведения Саузерн- и Норзерн-анализа, быстрое секвенирование ДНК и РНК и иммунофлуоресценция на хромосомах. Была представлена нуклеосомная гипотеза и был открыт сплайсинг иРНК. Основной интерес на этом симпозиуме привлекли биохимические и цитологические различия в структуре хроматина, особенно между активно транскрибируемыми и неактивными генами. Если, однако, говорить о том, что имело наиболее близкое отношение к эпигенетике, то Вайнтрауб с сотрудниками представил свои соображения относительно того, каким образом хроматин может обусловливать мозаичную экспрессию генов у организма ( Weintraub et al., 1978 ).
45-й симпозиум явился торжеством открытий Барбары МакКлинток - подвижных генетических элементов ( Yarmolinsky, 1981 ). Выполненные в механистическом плане исследования бактериальной транспозиции продемонстрировали чрезвычайный прогресс и вполне оправданно составили около половины всех представленных сообщений, в то время как другие доклады содержали данные о том, что транспозиция и регулируемая реорганизация генома происходят не только у кукурузы, но и у других эукариот, в том числе у мух, львиного зева, трипаносом, гриба Ascobolus и почкующихся дрожжей. В контексте этого совещания все наблюдавшиеся случаи мозаичной экспрессии были отнесены на счет транспозиций. Более того, имела место скрытая тенденция всерьез считать, что контролирующие элементы ответственны за большую часть регуляции генов ( Campbell, 1981 ), что привело некоторых участников к предположению, что @единственной функцией этих элементов является стимулирование генетической изменчивости@. В сущности, идея о том, что за регулируемую экспрессию в мозаицизме, обусловленном эффектом положения, ответствен гетерохроматин, была поставлена под сомнение. По отношению к будущим эпигенетическим исследованиям, вероятно, наибольшее внимание заслуживало твердое обоснование наличия " молчащих" кассет типов спаривания (silent mating cassetttes) у Saccharomyces cerevisiae ( Haber et al., 1981 ; Nasmyth et al. 1981 ; Rine et al., 1981 ).
