27.10.2014 Для чего необходима регуляция действия генов?

Отвечает старший лаборант института цитологии и генетики СО РАН Валерия Юрьевна Михальская.

Для чего необходима регуляция действия генов, помимо того, что это позволяет организму приспособиться к изменяющимся условиям окружающей среды?

При ответе на вопрос следует начать с определения генов и регуляции их действия. В классической генетике ген — это наследуемый фактор, влияющий на признаки организма. Под регуляцией действия (экспрессией) генов подразумевается их способность контролировать синтез функционального продукта — белка. Также существует понятие «доза генов». Доза гена — это количество копий гена в расчете на ядро одной клетки.

Так, например, у человека может произойти дозовая компенсация, в результате которой у самок случайным образом происходит инактивация одной из Х-хромосом. Вообще, при возникновении различных мутаций, количество копий гена способно увеличиться или уменьшиться. Например, при делении участка на 17-й хромосоме возникает синдром Смита-Магениса, являющийся сложным врожденным заболеванием с различными аномалиями черепа и лица и характеризующийся задержкой психического развития, нарушениями когнитивных функций и поведенческими расстройствами. При дупликации того же района на этой же хромосоме возникает другой синдром — Потоцки-Лупски, который включает в себя множественные врожденные аномалии и легкое слабоумие, аутизм, в отдельных случаях — потерю слуха. Этот пример прекрасно демонстрирует, как важна для правильного развития организма доза генов. То есть, при нарушении регуляции их действия могут возникнуть сложные заболевания.

Второй важной составляющей у млекопитающих является  генный импринтинг — это эпигенетически обусловленный процесс, регулирующий активность определенных генов в зависимости от того, кто из родителей передал аллель. Материнский и отцовский геномы отличаются по эпигенетическим меткам. Так, при нарушениях, приводящих к наследованию одной пары гомологичных хромосом от одного родителя, возникает однородительская дисомия. В этом случае также происходят различные нарушения в развитии организма.

Это нам показывает, что правильная регуляция экспрессии генов важна не только для приспособления организма к окружающей среде, но и для его правильного развития.

Фото: wikipedia.org (public domain)

01.10.2014 Откуда у микроорганизмов появилось свойство выживать в экстремальной среде?

Отвечает ученый секретарь Института биофизики СО РАН (Красноярск), кандидат биологических наук Егор Сергеевич Задереев.

С точки зрения приспособленности организма к окружающей среде, у живых существ не может быть адаптации к последней, если она на них не влияла соответствующим образом. То есть, раз какие-то особенности существуют, это значит, что в процессе эволюции на предков данного вида производилось воздействие. В связи с этим у меня вопрос: если у микроорганизмов (спор бактерий, вирусов) наличествует выживаемость в экстремальных условиях, соотносящихся с космическим излучением (в совокупности всех видов воздействия, в т.ч. радиационного фона и т.п.), то откуда у них подобное свойство? Мой вопрос ни на что не намекает. Это именно вопрос. Возможно, в чем-то мое рассуждение некомпетентно с точки зрения теории эволюции. Буду рада выслушать комментарии специалиста в данной области либо компетентного человека.

Не нужно бояться того, что ваш вопрос на что-то намекает. В науке вообще принято, что вопросы не просто намекают, а ставят под сомнение или опровергают известный факт. Поэтому разобьем его на две части. Сначала разберемся, так ли страшен невысказанный намек, а потом препарируем и первую часть.

Представим себе, что заявленная вами выживаемость бактерий в экстремальных условиях наблюдается потому, что их предки возникли … на других планетах. Это утверждение вряд ли напугает кого-то из современных ученых. Появилась ли жизнь на Земле или на другом космическом теле — как она это сделала, мы можем только догадываться. Даже если на вопрос: «Откуда взялась жизнь на Земле», мы ответим: «прилетела на астероиде с другой планеты», — это не приблизит нас к ответу на вопрос, как она зародилась. Именно он является ключевым, а не место возникновения.

Теперь, когда мы разобрались, что намеки нас не пугают, поговорим про основную часть вопроса. Она состоит из двух утверждений. Первое: приспособление к экстремальным условиям у организма возникает только в случае наличия таковых в жизни его предков. Второе: у организмов на Земле наблюдается выживаемость в неземных условиях.

Оба этих утверждения далеко не очевидны для современной науки. Не стоит забывать, что жизнь на нашей планете возникла (или была занесена, вспоминаем намек, с которого мы начали) как минимум три с лишним миллиарда лет назад. Тогда Земля была совсем другой. Сейчас мы можем обнаружить существ в абсолютно экстремальных, но довольно типичных для того времени условиях. Ведь странно считать соответствующей таковым лишь поверхность планеты на широте и высоте комфортной для человека, в благоприятном для нас климате — в условном сосновом бору или джунглях Африки. На сегодня жизнь обнаружена в гиперсоленых озерах, на дне Марианской впадины, в подземных водоемах на глубине нескольких сотен метров, в термальных источниках и в озерах Антарктиды под огромным слоем льда, в высокогорных водоемах различной кислотности. Совсем недавно (статья была опубликована в журнале Science) ученые обнаружили бактерий в крошечных каплях воды в крупнейшем на планете асфальтовом озере. Сложнее сказать, где и в каких условиях не найти жизни, так что даже современная Земля может служить полигоном для эволюции и возникновения организмов, приспособленных для обитания в экстремальных условиях. Одна из таких адаптаций происходит прямо на наших глазах: не так давно человек придумал антибиотики, которые должны были спасти его от многих бактериальных инфекций, но микроорганизмы вполне с ними сжились.  

Теперь поговорим про эволюционную обусловленность приспособлений. При всём разнообразии окружающей нас жизни природа очень консервативна. Одни и те же клеточные механизмы защиты или адаптаций к условиям окружающей среды, обмена информацией, генетической или гормональной регуляции с небольшими вариациями наблюдаются у самых разных организмов. Более того, схожие приспособления или механизмы могут использоваться для решения совершенно разных задач. Как только природа подобрала какой-то удачный, а иногда и не очень удачный, способ, она использует его и дальше. Самое забавное, что набор экстремальных условий, а точнее возможных физических или химических воздействий, крайне ограничен (попробуйте выписать их на листочке, и поймете, что очень скоро начнете повторяться). При этом многие воздействия будут вызывать сходные эффекты на молекулярном уровне. Так что задачу поддержания устойчивости или репарации ДНК, стабильности белков, других внутриклеточных нарушений от самых разных воздействий могут выполнять комбинации одних и тех же механизмов.

При этом надо помнить, что заявленная «устойчивость» в космических условиях все-таки типична для организмов в покоящемся, неактивном состоянии. Такие эксперименты проводили не только с бактериями, но и с покоящимися стадиями грибов (споры), растений (семена) и животных (покоящиеся яйца водных беспозвоночных). Действительно, часть из них была способна к активному размножению при возвращении на землю, но следует учесть, что 1) в живых оставались не все — часть организмов все-таки погибала в космосе (при этом доля погибших превышала таковую в контрольной группе на земле); 2) в космос отправляли покоящиеся стадии, которые в ходе эволюции на земле появились как формы для выживания в неблагоприятных условиях. То есть они созданы природой для долговременной консервации биологического материала.

Итоговый ответ может состоять из следующих тезисов:

1. Даже сегодня на Земле достаточно сложных условий для того, чтобы у организмов формировались свойства, позволяющие им переживать эти условия. При этом ученые находят жизнь во все более неожиданных местах, которые по экстремальности сопоставимы с некоторыми объектами солнечной системы.
2. Приспособления, которые возникли в ходе эволюции в ответ на одни неблагоприятные воздействия, могут быть использованы природой и для реакции на другие, вызывающие схожие биологические отклики или повреждения.
3. Современную науку не пугает предположение о возникновении жизни не на Земле, а на другом космическом теле. Гораздо интереснее не где, а как возникла жизнь.
    

08.09.2014 К чему приведет остывание экватора?

Отвечает старший научный сотрудник Института геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН заведующий лабораторией петрологии и рудоносности магматических формаций доктор геолого-минералогических наук Андрей Эмильевич Изох.

К чему приведет остывание экватора, и как подействует это на температуру полюсов Земли? На сколько опустится температура на севере?

К сожалению, мы не сможем уточнить, на сколько точно опустится температура на севере, так как никаких других численных значений в вопросе не указано. Попробуем рассмотреть последствия остывания экватора. Колебания температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана исследованы учеными очень хорошо. Это явление даже носит своё название: смещение температуры в большую сторону называется Эль-Ниньо, в меньшую — Ла-Нинья. В переводе с испанского это означает малыш, мальчик и малышка, девочка соответственно. При возникновении Эль-Ниньо происходит повышение температуры воды на огромной площади Тихого океана за счёт того, что течением в экваториальные широты приносит более тёплые потоки. Соответственно, Ла-Нинья — процесс обратный, причем, он может влиять на погоду по всему земному шару, вызывая засухи в одних регионах, ураганы и сильные дожди — в других. Этот климатический феномен в 2011 году вызвал падение уровня мирового океана на пять миллиметров. Однако в основном эти колебания незначительные, наблюдается отклонение примерно на 0.5 C, и для того, чтобы оно составило больше, чем полградуса, необходимы условия, которых сейчас в природе нет.

После изменения температуры на экваторе по всему Земному шару произойдет ее выравнивание. То есть на полюсах она опустится на очень маленькое значение, которое будет тяжело зафиксировать.

Если же гипотетически предположить, что на экваторе температура резко упадет, то это приведёт к очень серьезным последствиям. Например, установлена связь между вспышками австралийского энцефалита и сильными дождями и наводнениями, вызванными Ла-Нинья. То есть изменится не только климат. Стремительное уменьшение T° вызовет вспышки болезней, неурожаи в разных частях света, возникновение гражданских конфликтов. Также снизится улов рыбы, что приведет к падению экономик различных стран, и так далее. Полностью эти изменения спрогнозировать очень тяжело.

Фото: wikipedia.org (public domain)
 

18.08.2014 Почему до сих пор не придумали лекарство от ВИЧ/СПИДа?

Отвечает старший лаборант института цитологии и генетики СО РАН Валерия Юрьевна Михальская.

Скажите, пожалуйста, почему за столько лет не придумали лекарство от ВИЧ/СПИДа?

Это волнует человечество уже многие годы. Для начала следует сказать, что СПИД — это одна из последних стадий проявления иммунодефицита (ВИЧ). СПИД является болезнью иммунной системы, которая сопровождается развитием у больных иммунной недостаточности. В результате безопасные для здорового человека микроорганизмы приобретают способность вызывать тяжелые заболевания.

Последние 30 лет ученые многих стран пытаются разработать вакцину против ВИЧ, но эта задача является очень сложной, так как данный вирус является уникальным, и до сих пор медицина с таким не сталкивалась. Сложность заключается еще и в том, что при репликации болезнетворной структуры с очень большой частотой возникают ошибки, которые приводят к возникновению мутантных форм. На первых стадиях заражения происходит активная наработка вируса, которая сопровождается интенсивным Т-клеточным иммунным ответом. В результате происходит отбор вариантов ВИЧ, и в организме появляется форма , отличная от той, которая вызвала заражение.

Ещё один фактор, осложняющий разработку вакцины, состоит в том, что ВИЧ может находиться в форме профага (вирус, который встраивается в хромосомную ДНК клеток инфицированного). В данной форме он защищен от атаки иммунной системы. Как видно, это действительно уникальное явление, и работать с ним очень тяжело.

В настоящее время в процессе изготовления лекарства идут испытания на лабораторных животных, но тут возникает еще одна проблема: вирус иммунодефицита человека способен поражать лишь шимпанзе, но у них не наблюдается симптомов угнетения иммунитета, в связи с чем возможно лишь наблюдать подавление репликации вируса.

Создание вакцины — процесс очень сложный, трудоемкий и не имеет четких критериев оценки эффективности. Однако в ближайшем будущем разработка оптимального средства против вируса иммунодефицита человека возможна, но только лишь после большого количества экспериментов.