Память и гомология 2
Соотношение фенотипа и генотипа
Поскольку речь идёт о том, как возникла генетическая память, мы обращаемся к проблеме абиогенеза. Сначала кратко охарактеризуем основные понятия генетики и теории развития.
Генотип - совокупность всех наследственных задатков организма. Информация (в т.ч. наследственная) представляет меру разнообразия структуры, воспринятой субъектом (Эшби, 1959; Раутиан, 1988). Менее изощренное понимание информации дать затруднительно - это субъективная мера, для того, чтобы мыслить понятие «информации», приходится мыслить «наблюдателя», который эту информацию измеряет. Поэтому в приведенном определении субъект - это исследователь, изучающий информацию, которая дает представление об организованности объективно существующей структуры. Содержание информации в значительной мере зависит от свойств её получателя (Ляпунов, 1980; Раутиан, 1993). Читателем наследственной информации выступает фенотип (совокупность всех признаков организма; система онтогенеза; Уоддингтон, 1947, 1964, 1970; Светлов, 1978; Белоусов, 1980, 1987; Хесин, 1984; Шишкин, 1988 а,б; Vehkavaara, 1998). Т.е. содержание генотипа в большой мере зависит от свойств «читающего» его фенотипа, а не только от свойств генотипа (как материального носителя наследственности): генотип пассивен, а активным агентом в процессе взаимодействия генотипа и фенотипа является фенотип (Раутиан, 1993; Kull, 1998).
Это означает, что устойчивость содержания наследственной информации в большей мере зависит от устойчивости фенотипа, чем от устойчивости элементов генотипа (генов) (Шмальгаузен, 1940, 1968, 1969, 1982, 1983; Шишкин, 1981, 1984а,б, 1987, 1988а,б; Раутиан, 1993).
Следовательно, генотип обладает определенной («адресной») информацией для определенного фенотипа, подготовленного к чтению данного генотипа (Hoffmeyer, 1992, 1997; Раутиан, 1993; Kull, 1998). В онтогенезе сначала создается потребитель информации (фенотип), и лишь затем начинается её чтение (Уоддингтон, 1947, 1964, 1970; Белоусов, 1980; Раутиан, 1993). Фенотип представляет собой совокупность разноуровневых читателей наследственного текста (Kull, 1998), процесс этого многоуровневого чтения - экспрессия генов (Campbell, 1974, 1981; Lorenz, 1973; Plotkin, 1987, 1988). Современные представления об экспрессии генов и регуляторных влияниях со стороны хроматина (по отношению к первичной структуре ДНК) показывают, сколь много этапов преобразований претерпевает наследственный «текст» при обработке «читателем». Представления об экзон-интронной структуре и альтернативном сплайсинге сильно меняют предшествующие теории о функционировании генома и кодировании информации о фенотипе (Black, 2000; Graveley, 2001).
Отсюда делается важный вывод: генотип (понимаемый как вся наследственная информация организма) не тождествен первичной структуре нуклеиновых кислот, является аспектом фенотипа и не представляет собой самостоятельной сущности (Любищев, 1925; Goldschmidt, 1940; Раутиан, 1993; Kull, 1998). Генотип (понимаемый как генетический код) - специализированный (и не единственный) орган хранения наследственной информации (Раутиан, 1993) (орган - поскольку генотип в этом понимании является выделенной частью, специализированной для определенной функции). Жесткая связь знаков кода (генов) с признаками фенотипа - выражение устойчивости всей реакционной системы (Шмальгаузен, 1940, 1968; Раутиан, 1988; Kull, 1998). Особенно четко регулирующее воздействие фенотипа на то, с какой частотой, где и в каком направлении будут мутировать гены, видно на примере соматического гипермутирования в иммунной системе (Стил и др., 2002) и генах, определяющих обонятельную чувствительность у людей.
Мы имеем дело с множественной системой кодов, обеспечивающей связь между палимпсестной и триггерной системами: коды модуляции, укладки РНК, сегментации генома, хроматиновый, укладки белка, сплайсинга генов, трансформации ДНК, транскрипции ДНК в мРНК, рамки трансляции и т.д. (см., напр., Голубовский, 1985). Отдельный и крайне интересный вопрос - каковы общие свойства «любого» сложного кода. Так, любопытно (для сравнения с лингвистическим кодом) различить, например, в «тексте РНК» отрицательные частицы. Это антисмысловые РНК - короткие РНК, которые блокируют трансляцию зрелых РНК и тем самым подобны частице «не» в тексте (Sokol, Murrey, 1996). Всякий опыт позитивно «дан» наблюдателю независимо от того, положительный это опыт или отрицательный (Луман, 2005, с. 58). Возникновение в коде «отрицания» является крайне важным шагом, принципиально увеличивающим число возможных инноваций. В этом смысле интересно обратить внимание, что современная генетика рассматривает точечные мутации в основном как инструмент элиминации признаков (Шестаков, 2003).Таким образом можно перейти к вопросу об общих «семантических универсалиях» сложного кода, общих правилах семантической организации знаковых систем. К таким «семантическим универсалиям» относится и произвольность знака - отсутствие жесткой причинной связи между признаком и конкретным геном (Шмальгаузен, 1940, 1968; Раутиан, 1988, 1993). Такие соотношения можно назвать примерами синонимии генов (вырожденность кода), когда один и тот же продукт могут производить весьма разные гены.
Эти общие соображения поддерживаются происходящей сейчас «революцией» в геномике. Представление о том, что такое «ген», всё усложняется, вместо ожидаемой редукции сложности происходит построение сложной теории нового уровня организации. Генетика прошла три различных стадии - менделевскую, популяционную (где ген представлял собой нечто, определяющее фенотипическое различие и рекомбинирующее с определенной частотой - Williams, 1966), классическую молекулярную и сейчас развивается новая генетическая парадигма, постгеномика (Griffiths, Stotz, 2006). Изучение генов как физических объектов предоставило свидетельства, отрицающие даже самые фундаментальные предположения Менделя. После концепции «сцепления» генов, что позволяло строить карты ДНК («эпоха Мёллера») и концепции Бензера (о внутригенной рекомбинации) популярной стала концепция гена, определяемого по «рамке считывания» (ORF, open reading frame), связанной с представлением о кодонах, определяющих начало и конец считывания. Долгое время держалась «парадигма Уотерса» (Waters, 1994, 2000) о важнейшем эпистемическом значении линейного соответствия меду молекулами, которое является сердцевиной молекулярной концепции гена.
Однако картина происходящего на молекулярно-генетическом уровне продолжала усложняться. Выяснилось, что гены могут налагаться друг на друга, одна последовательность может порождать несколько разных продуктов. Возможно чтение не только от начала к концу, но и чтение от конца к началу. Однако все эти данные ещё лежат в рамках парадигмы, в которой ген определяется как последовательность нуклеотидов ДНК, соотносящихся с генетическим продуктом и интересная при разнообразных изменениях предмета исследования. В «начале» причинной цепочки лежит код ДНК, и от него с помощью самых разнообразных приемов получаются другие продукты (новые классы функциональных РНК, альтернативный сплайсинг и т.п. посттранскрипционная обработка РНК). Изучается влияние на конечный продукт недешифрируемых регулирующих зон вроде энхансеров и блокираторов, интронов и изолирующих области - множества некодирующих последовательностей, которые, однако, самостоятельно эволюционируют. Тем самым происходит перенос внимания с гена как «того, что кодирует» («ген Уотерса») к более широкому пониманию. При переходе с вирусов и бактериофагов к изучению генетики эукариот выясняется, что генетический продукт определяется не только последовательностью ДНК. Такие факторы, как протеины и функциональные РНК, вносят в геном данные из «внешней среды», вызывая последствия, определяющие генетический продукт (влияют на выбор последовательности ДНК, последовательность операций транскрипции). Некоторые транскрипты образуются из экзонов разных генов или даже из гена и псевдогена (Finta, Zaphiropoulos, 2002). Ген перестал быть структурно-функциональной сущностью, а стал единицей воспроизводства генома организмом. В этом и состоит наиболее характерная черта происходящих в генетике изменений (Griffiths, Stotz, 2006): гены определяются не «снизу», от их составных элементов, а «сверху», от более сложных систем, от целого; гены представляют собой способы, посредством которых клетки используют стандартные ресурсы для создания необходимых им биомолекул. Можно предложить следующий образ: раньше считали, что молекула ДНК кодирует слова и предложения, которые позволяют строить белки. Теперь скорее можно сказать, что ДНК представляют наборную кассу букв, из которых клетка собирает нужные ей слова и предложения. «Информация для продукта не просто кодируется в последовательности ДНК, но требует прочтения в эту последовательность механизмами, находящимися за пределами непосредственно этой последовательности» (Griffiths, Stotz, 2006). Альтернативные транскрипции ДНК обуславливаются обработкой функциональных некодирующих РНК из интронов, которые тем самым выступают как регуляторы. Во многих случаях линейная последовательность продукта не отражена в последовательности ДНК вообще, она создается в ходе посттранскрипционных процессов. Кодирующие, регулирующие и интронные последовательности ДНК регулируются транскрипционными и редактирующими факторами (протеинов и функциональных РНК), исходящими из среды. Регуляция генома включает разные виды генетических продуктов и разные факторы окружения, которые совместно создают «информацию» нуклеотидной последовательности. Вместо дискретного гена, который целый век определял сознание генетиков, появился новый ген - гибкий, с подвижными границами, определяемый пространственной организацией, местоположением и способностью ответить на специфический набор клеточных сигналов (Dillon, 2003), причем 60% событий транскрипции вовлекает внешние транскрипционные единицы из интронов и интергенетических последовательностей (Kapranov et al. 2005). Предварительный вывод таков: о транскрибируемом продукте невозможно более думать как о «предварительно реализованном» в геноме, строящемся по закодированной схеме. Наоборот: само понятие гена, последовательности ДНК, выделяется и различается только при помощи обращения к транскриптам и расшифровки их участков (Snyder, Gerstein, 2003). Тем самым развитие генетики приводит к тому же выводу, который следует из общих представлений о философии развивающихся систем: природа постгеномного гена свидетельствует в пользу представления о несводимости фенотипа к простому выражению генетической информации, но скорее вытекает из осуществляющей развитие системы (Oyama, Griffiths, Gray, 2001).
К этой картине следует добавить еще один аспект. Оценки числа возможных мутаций (Патрушев, 2000) показывают, что их может быть очень много (на гаплоидный набор каждого человека - около 1500 мутаций). В организме существуют многочисленные системы защиты, и тем не менее мутабильность очень велика. До недавнего времени преимущественное внимание исследователей было обращено на низкоуровневые, внутриклеточные механизмы защиты, между тем это лишь небольшая часть защитных систем: фенотип устойчивее генотипа и исправляет многочисленные ошибки последнего (система репарации ДНК есть часть (процесс) целого, а не автономная реакция). Разумеется, это положение не противоречит роли генотипа как наследственной памяти: только имея относительно устойчивый и относительно неизменный текст, «читатель» может начать восстановление сложной морфологии из точки очень низкой организации. Важно подчеркнуть, что генотип характеризует не большая, чем у фенотипа, устойчивость, а неуничтожимость при смене поколений и смене стадий онтогенеза. Фенотип устойчив регулятивно, в критических точках развития он нуждается в неизменной основе - тексте. Восстановимая редукция сложности, таким образом, должна рассматриваться как обратимое понижение устойчивости.
В этом смысле можно сказать, что нет вещества наследственности, как нет вещества информации. И выше мы установили, что генотип представляет собой специализированную подсистему в рамках более обширной системы с особенным типом памяти. В этом смысле в него будут включаться все «вещества», обладающие таким типом памяти, а те вещества, которые функционируют в рамках закономерностей иной системы, не входят в генотип. В результате РНК или ДНК в различных случаях ведут себя то как части генотипа, то как части фенотипа, или, точнее, фенотип (целостная организация) в каждом случае определяет, каким образом будут рассматриваться эти и другие химические соединения.
Биологический смысл структурного обособления генотипа и специализации генетического кода - в создании неуничтожимого в процессе онтогенеза пула наследственной информации для воспроизводства онтогенезов в ряду поколений и коррекции нарушений (Раутиан, 1988, 1993). Отсюда выводится очень важный критерий: только живые системы обладают двойным развитием - взаимообусловленными процессами индивидуального и исторического развития (Раутиан, 1993, также Hoffmeyer, Emmeche, 1991). Тем самым проблема соотношения генотипа и фенотипа приводит к определению жизни: живыми называются только те системы, которые обладают двойным развитием, онто- и филогенезом (подробнее об этих двух типах развития ниже).
Поскольку речь идёт о том, как возникла генетическая память, мы обращаемся к проблеме абиогенеза. Сначала кратко охарактеризуем основные понятия генетики и теории развития.
Генотип - совокупность всех наследственных задатков организма. Информация (в т.ч. наследственная) представляет меру разнообразия структуры, воспринятой субъектом (Эшби, 1959; Раутиан, 1988). Менее изощренное понимание информации дать затруднительно - это субъективная мера, для того, чтобы мыслить понятие «информации», приходится мыслить «наблюдателя», который эту информацию измеряет. Поэтому в приведенном определении субъект - это исследователь, изучающий информацию, которая дает представление об организованности объективно существующей структуры. Содержание информации в значительной мере зависит от свойств её получателя (Ляпунов, 1980; Раутиан, 1993). Читателем наследственной информации выступает фенотип (совокупность всех признаков организма; система онтогенеза; Уоддингтон, 1947, 1964, 1970; Светлов, 1978; Белоусов, 1980, 1987; Хесин, 1984; Шишкин, 1988 а,б; Vehkavaara, 1998). Т.е. содержание генотипа в большой мере зависит от свойств «читающего» его фенотипа, а не только от свойств генотипа (как материального носителя наследственности): генотип пассивен, а активным агентом в процессе взаимодействия генотипа и фенотипа является фенотип (Раутиан, 1993; Kull, 1998).
Это означает, что устойчивость содержания наследственной информации в большей мере зависит от устойчивости фенотипа, чем от устойчивости элементов генотипа (генов) (Шмальгаузен, 1940, 1968, 1969, 1982, 1983; Шишкин, 1981, 1984а,б, 1987, 1988а,б; Раутиан, 1993).
Следовательно, генотип обладает определенной («адресной») информацией для определенного фенотипа, подготовленного к чтению данного генотипа (Hoffmeyer, 1992, 1997; Раутиан, 1993; Kull, 1998). В онтогенезе сначала создается потребитель информации (фенотип), и лишь затем начинается её чтение (Уоддингтон, 1947, 1964, 1970; Белоусов, 1980; Раутиан, 1993). Фенотип представляет собой совокупность разноуровневых читателей наследственного текста (Kull, 1998), процесс этого многоуровневого чтения - экспрессия генов (Campbell, 1974, 1981; Lorenz, 1973; Plotkin, 1987, 1988). Современные представления об экспрессии генов и регуляторных влияниях со стороны хроматина (по отношению к первичной структуре ДНК) показывают, сколь много этапов преобразований претерпевает наследственный «текст» при обработке «читателем». Представления об экзон-интронной структуре и альтернативном сплайсинге сильно меняют предшествующие теории о функционировании генома и кодировании информации о фенотипе (Black, 2000; Graveley, 2001).
Отсюда делается важный вывод: генотип (понимаемый как вся наследственная информация организма) не тождествен первичной структуре нуклеиновых кислот, является аспектом фенотипа и не представляет собой самостоятельной сущности (Любищев, 1925; Goldschmidt, 1940; Раутиан, 1993; Kull, 1998). Генотип (понимаемый как генетический код) - специализированный (и не единственный) орган хранения наследственной информации (Раутиан, 1993) (орган - поскольку генотип в этом понимании является выделенной частью, специализированной для определенной функции). Жесткая связь знаков кода (генов) с признаками фенотипа - выражение устойчивости всей реакционной системы (Шмальгаузен, 1940, 1968; Раутиан, 1988; Kull, 1998). Особенно четко регулирующее воздействие фенотипа на то, с какой частотой, где и в каком направлении будут мутировать гены, видно на примере соматического гипермутирования в иммунной системе (Стил и др., 2002) и генах, определяющих обонятельную чувствительность у людей.
Мы имеем дело с множественной системой кодов, обеспечивающей связь между палимпсестной и триггерной системами: коды модуляции, укладки РНК, сегментации генома, хроматиновый, укладки белка, сплайсинга генов, трансформации ДНК, транскрипции ДНК в мРНК, рамки трансляции и т.д. (см., напр., Голубовский, 1985). Отдельный и крайне интересный вопрос - каковы общие свойства «любого» сложного кода. Так, любопытно (для сравнения с лингвистическим кодом) различить, например, в «тексте РНК» отрицательные частицы. Это антисмысловые РНК - короткие РНК, которые блокируют трансляцию зрелых РНК и тем самым подобны частице «не» в тексте (Sokol, Murrey, 1996). Всякий опыт позитивно «дан» наблюдателю независимо от того, положительный это опыт или отрицательный (Луман, 2005, с. 58). Возникновение в коде «отрицания» является крайне важным шагом, принципиально увеличивающим число возможных инноваций. В этом смысле интересно обратить внимание, что современная генетика рассматривает точечные мутации в основном как инструмент элиминации признаков (Шестаков, 2003).Таким образом можно перейти к вопросу об общих «семантических универсалиях» сложного кода, общих правилах семантической организации знаковых систем. К таким «семантическим универсалиям» относится и произвольность знака - отсутствие жесткой причинной связи между признаком и конкретным геном (Шмальгаузен, 1940, 1968; Раутиан, 1988, 1993). Такие соотношения можно назвать примерами синонимии генов (вырожденность кода), когда один и тот же продукт могут производить весьма разные гены.
Эти общие соображения поддерживаются происходящей сейчас «революцией» в геномике. Представление о том, что такое «ген», всё усложняется, вместо ожидаемой редукции сложности происходит построение сложной теории нового уровня организации. Генетика прошла три различных стадии - менделевскую, популяционную (где ген представлял собой нечто, определяющее фенотипическое различие и рекомбинирующее с определенной частотой - Williams, 1966), классическую молекулярную и сейчас развивается новая генетическая парадигма, постгеномика (Griffiths, Stotz, 2006). Изучение генов как физических объектов предоставило свидетельства, отрицающие даже самые фундаментальные предположения Менделя. После концепции «сцепления» генов, что позволяло строить карты ДНК («эпоха Мёллера») и концепции Бензера (о внутригенной рекомбинации) популярной стала концепция гена, определяемого по «рамке считывания» (ORF, open reading frame), связанной с представлением о кодонах, определяющих начало и конец считывания. Долгое время держалась «парадигма Уотерса» (Waters, 1994, 2000) о важнейшем эпистемическом значении линейного соответствия меду молекулами, которое является сердцевиной молекулярной концепции гена.
Однако картина происходящего на молекулярно-генетическом уровне продолжала усложняться. Выяснилось, что гены могут налагаться друг на друга, одна последовательность может порождать несколько разных продуктов. Возможно чтение не только от начала к концу, но и чтение от конца к началу. Однако все эти данные ещё лежат в рамках парадигмы, в которой ген определяется как последовательность нуклеотидов ДНК, соотносящихся с генетическим продуктом и интересная при разнообразных изменениях предмета исследования. В «начале» причинной цепочки лежит код ДНК, и от него с помощью самых разнообразных приемов получаются другие продукты (новые классы функциональных РНК, альтернативный сплайсинг и т.п. посттранскрипционная обработка РНК). Изучается влияние на конечный продукт недешифрируемых регулирующих зон вроде энхансеров и блокираторов, интронов и изолирующих области - множества некодирующих последовательностей, которые, однако, самостоятельно эволюционируют. Тем самым происходит перенос внимания с гена как «того, что кодирует» («ген Уотерса») к более широкому пониманию. При переходе с вирусов и бактериофагов к изучению генетики эукариот выясняется, что генетический продукт определяется не только последовательностью ДНК. Такие факторы, как протеины и функциональные РНК, вносят в геном данные из «внешней среды», вызывая последствия, определяющие генетический продукт (влияют на выбор последовательности ДНК, последовательность операций транскрипции). Некоторые транскрипты образуются из экзонов разных генов или даже из гена и псевдогена (Finta, Zaphiropoulos, 2002). Ген перестал быть структурно-функциональной сущностью, а стал единицей воспроизводства генома организмом. В этом и состоит наиболее характерная черта происходящих в генетике изменений (Griffiths, Stotz, 2006): гены определяются не «снизу», от их составных элементов, а «сверху», от более сложных систем, от целого; гены представляют собой способы, посредством которых клетки используют стандартные ресурсы для создания необходимых им биомолекул. Можно предложить следующий образ: раньше считали, что молекула ДНК кодирует слова и предложения, которые позволяют строить белки. Теперь скорее можно сказать, что ДНК представляют наборную кассу букв, из которых клетка собирает нужные ей слова и предложения. «Информация для продукта не просто кодируется в последовательности ДНК, но требует прочтения в эту последовательность механизмами, находящимися за пределами непосредственно этой последовательности» (Griffiths, Stotz, 2006). Альтернативные транскрипции ДНК обуславливаются обработкой функциональных некодирующих РНК из интронов, которые тем самым выступают как регуляторы. Во многих случаях линейная последовательность продукта не отражена в последовательности ДНК вообще, она создается в ходе посттранскрипционных процессов. Кодирующие, регулирующие и интронные последовательности ДНК регулируются транскрипционными и редактирующими факторами (протеинов и функциональных РНК), исходящими из среды. Регуляция генома включает разные виды генетических продуктов и разные факторы окружения, которые совместно создают «информацию» нуклеотидной последовательности. Вместо дискретного гена, который целый век определял сознание генетиков, появился новый ген - гибкий, с подвижными границами, определяемый пространственной организацией, местоположением и способностью ответить на специфический набор клеточных сигналов (Dillon, 2003), причем 60% событий транскрипции вовлекает внешние транскрипционные единицы из интронов и интергенетических последовательностей (Kapranov et al. 2005). Предварительный вывод таков: о транскрибируемом продукте невозможно более думать как о «предварительно реализованном» в геноме, строящемся по закодированной схеме. Наоборот: само понятие гена, последовательности ДНК, выделяется и различается только при помощи обращения к транскриптам и расшифровки их участков (Snyder, Gerstein, 2003). Тем самым развитие генетики приводит к тому же выводу, который следует из общих представлений о философии развивающихся систем: природа постгеномного гена свидетельствует в пользу представления о несводимости фенотипа к простому выражению генетической информации, но скорее вытекает из осуществляющей развитие системы (Oyama, Griffiths, Gray, 2001).
К этой картине следует добавить еще один аспект. Оценки числа возможных мутаций (Патрушев, 2000) показывают, что их может быть очень много (на гаплоидный набор каждого человека - около 1500 мутаций). В организме существуют многочисленные системы защиты, и тем не менее мутабильность очень велика. До недавнего времени преимущественное внимание исследователей было обращено на низкоуровневые, внутриклеточные механизмы защиты, между тем это лишь небольшая часть защитных систем: фенотип устойчивее генотипа и исправляет многочисленные ошибки последнего (система репарации ДНК есть часть (процесс) целого, а не автономная реакция). Разумеется, это положение не противоречит роли генотипа как наследственной памяти: только имея относительно устойчивый и относительно неизменный текст, «читатель» может начать восстановление сложной морфологии из точки очень низкой организации. Важно подчеркнуть, что генотип характеризует не большая, чем у фенотипа, устойчивость, а неуничтожимость при смене поколений и смене стадий онтогенеза. Фенотип устойчив регулятивно, в критических точках развития он нуждается в неизменной основе - тексте. Восстановимая редукция сложности, таким образом, должна рассматриваться как обратимое понижение устойчивости.
В этом смысле можно сказать, что нет вещества наследственности, как нет вещества информации. И выше мы установили, что генотип представляет собой специализированную подсистему в рамках более обширной системы с особенным типом памяти. В этом смысле в него будут включаться все «вещества», обладающие таким типом памяти, а те вещества, которые функционируют в рамках закономерностей иной системы, не входят в генотип. В результате РНК или ДНК в различных случаях ведут себя то как части генотипа, то как части фенотипа, или, точнее, фенотип (целостная организация) в каждом случае определяет, каким образом будут рассматриваться эти и другие химические соединения.
Биологический смысл структурного обособления генотипа и специализации генетического кода - в создании неуничтожимого в процессе онтогенеза пула наследственной информации для воспроизводства онтогенезов в ряду поколений и коррекции нарушений (Раутиан, 1988, 1993). Отсюда выводится очень важный критерий: только живые системы обладают двойным развитием - взаимообусловленными процессами индивидуального и исторического развития (Раутиан, 1993, также Hoffmeyer, Emmeche, 1991). Тем самым проблема соотношения генотипа и фенотипа приводит к определению жизни: живыми называются только те системы, которые обладают двойным развитием, онто- и филогенезом (подробнее об этих двух типах развития ниже).