Мобильные генетические элементы (МГЭ) или управляющие генетические элементы, как назвал автор их открывший и изменивший тем самым догму биологии, что все клетки организма являются идентичными с генетической точки зрения, только в последнее время спустя почти 60 лет после их открытия становятся мейнстримом научной мысли в биологии и медицине. Хотя, как казалось в современной науке такое уже невозможно. Исследования МГЭ сейчас обещают нам множество биологических и медицинских технологий. МГЭ являются по-видимому драйверами как индивидуальной молекулярной биологии развития, так и эволюции всех современных организмов. Возможно эти драйверы, которые видимо являются на молекулярном уровне причиной нашего развития, подскажут нам способ остановить нашу же деградацию – старение и смерть! Всё это началось с идей и исследований одного ученого Барбары Мак-Клинток.
Барбара Мак-Клинток разработала метод визуализации хромосом клеток кукурузы и, применив микроскопический анализ, сделала множество фундаментальных открытий в цитогенетике, в их числе рекомбинация наследственной информации в результате кроссинговера («перекреста» и обмена участками хромосом) во время мейоза. Она составила первую генетическую карту кукурузы, описав физические свойства участков хромосом, показала роль теломер и центромер (участков хромосом, задействованных в сохранении генетической информации), провела обширные исследования по цитогенетике и этноботанике южноамериканских видов кукурузы, разработала теорию, объясняющую репрессию и экспрессию генетической информации при передаче от одного поколения к другому на примере кукурузы. В 1951 году Мак-Клинток открыла транспозоны. Её работы получили признание в 1960—1970-е годы, когда был изучен механизм регуляции генов, открытой Мак-Клинток в 1940-е годы. В 1983 году Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине с формулировкой «За открытие мобильных генетических элементов».
Детство и юность
Барбара Мак-Клинток (при рождении ей было дано имя Элеонора, но его сменили в четырёхмесячном возрасте, поскольку родители посчитали, что имя Барбара больше подходит ребёнку по характеру). Родилась 16 июня 1902г., в Хартфорде (штат Коннектикут, США) в семье врача Томаса Генри Мак-Клинтока (возможно, потомка переселенцев из клана Мак-Клинток, приехавших в Филадельфию в 1840-60е годы) и Сары Хенди Мак-Клинток. Кроме неё в семье были ещё две старшие сестры и брат, родившийся через два года после неё. Барбара с юных лет предпочитала уединение, у неё был независимый характер. Много позже, в 1983 году, она писала:
<…> я искренне наслаждалась тем, что мне не приходилось отстаивать свои взгляды. Я могла просто работать с большим удовольствием. У меня никогда не было ни нужды, ни желания защищать свою точку зрения. Если выходило так, что я была неправа, я всего-навсего забывала о том, что когда-то имела такую точку зрения. Это не имело значения.
У Барбары были тёплые отношения с отцом, а с матерью — трудные в силу проблем с психикой у последней.
Примерно с трёх лет и до того, как пойти в школу, Мак-Клинток жила с тётей и дядей в Массачусетсе, чтобы облегчить финансовое положение своих родителей, пока её отец нарабатывал медицинскую практику. В этом возрасте Барбара на всю жизнь полюбила природу. В 1908 году Мак-Клинтоки переехали в пригород Бруклина Флэтбуш, где отец Барбары был зачислен в штат компании «Standard Oil». Барбара вновь стала жить с семьёй и поступила в бруклинскую среднюю школу Эрасмус Холл, которую окончила в 1918 году. В школе она изучала естественные науки и намеревалась поступить в Корнелльский университет, чтобы там продолжить обучение. Однако её мать противилась идее получения высшего образования дочерьми, полагая, что это уменьшит их шансы выйти замуж. Ко всему прочему у семьи продолжались финансовые затруднения, к тому же Томас Мак-Клинток был на войне в качестве хирурга. Барбаре пришлось некоторое время работать в агентстве по трудоустройству и ходить в библиотеку для самостоятельного обучения. На получении Барбарой высшего образования настоял вернувшийся из Европы отец, и она благополучно поступила в Корнелл в 1919 году.
Обучение и исследовательская работа в Корнелльском университете.
Мак-Клинток начала обучение в Корнелльском сельскохозяйственном колледже в 1919 году. Во время учёбы на первом и втором курсах она вела обычную студенческую жизнь, в том числе ходила на свидания и играла на теноровом банджо в джаз-банде. Мак-Клинток была избрана президентом первого курса и была приглашена в женский клуб. Однако узнав, что в женский клуб не принимают евреев, она отказалась от вступления. В колледже она изучала ботанику и в 1923 году получила степень бакалавра. Интерес к генетике у неё появился в 1921 году, когда она прослушала первые курсы по этой теме. Курсы преподавались селекционером растений и генетиком К. Б. Хатчинсоном и были схожи с теми, которые читались в Гарвардском университете.
Хатчинсон был впечатлён любовью Мак-Клинток к учёбе и в 1922 году позвонил ей, пригласив на последипломный курс генетики. Позже Мак-Клинток называла звонок Хатчинсона причиной того, что она продолжила изучать генетику:
Очевидно, этот телефонный звонок предрешил моё будущее. После него я осталась в генетике.
Поскольку в то время женщинам нельзя было специализироваться по генетике в Корнелльском университете, её магистерская (1925) и докторская (1927) степени были официально присуждены по ботанике.
Во время работы над дипломом и прохождения аспирантской практики в качестве преподавателя ботаники Мак-Клинток способствовала созданию группы по изучению цитогенетики кукурузы. В этой группе собрались генетики и цитологи, в их числе Чарльз Бернхэм, Маркус Роудс (открывший цитоплазматическую мужскую стерильность у кукурузы и получивший медаль Томаса Ханта Моргана за заслуги в развитии генетики), Джордж Бидл (получивший в 1958 году Нобелевскую премию за открытие регулирования метаболизма на генном уровне) и Харриет Крейтон. Заведующий кафедрой селекции растений Роллинс Эмерсон хотя и не был цитологом, поддерживал работу группы. Исследования Мак-Клинток были направлены на улучшение способов визуализации и характеризации хромосом клеток кукурузы. Она разработала метод карминового окрашивания, позволяющий визуализировать хромосомы, и впервые описала морфологию десяти хромосом клеток кукурузы.Изучение строения хромосом позволило Мак-Клинток проследить сцепленное наследование группы признаков в рамках отдельной хромосомы. Маркус Роудс отмечал, что статья Мак-Клинток о триплоидных наборах хромосом в клетках кукурузы вызвала интерес цитогенетиков и в конечном счёте привела к десяти из семнадцати значительных открытий, сделанных в этом разделе науки учёными Корнелльского университета в период с 1929 по 1935 годы.
Барбара Мак-Клинток в лаборатории
В 1930 году Мак-Клинток впервые описала перекрёстный обмен участками гомологичных хромосом при взаимодействии во время мейоза (кроссинговер). В 1931 году Мак-Клинток в сотрудничестве с аспиранткой Харриетой Крейтон доказала связь между мейотическим кроссинговером и рекомбинацией признаков при наследовании. Эти исследования показали физическую основу генетических экспериментов по сцеплению генов и подтвердили гипотезу о том, что рекомбинация может происходить во время мейоза. В том же году Мак-Клинток впервые опубликовала генетическую карту кукурузы, показав последовательность из трёх генов в девятой хромосоме. Проведённые работы позволили Мак-Клинток и Крейтон исследовать физическую основу явления кроссинговера. В 1938 и 1941 году Мак-Клинток провела цитогенетический анализ центромер и теломер, описав их структуру и функцию.
Благодаря своим выдающимся исследованиям и поддержке коллег Мак-Клинток получила несколько постдокторских грантов от Национального исследовальского совета США. Эти средства позволили ей продолжить исследования в области генетики в университете Корнелла, университете Миссури и Калифорнийском технологическом институте.
Стереомикроскоп Мак-Клинток и кукурузные початки на выставке в Национальном музее естествознания
В летние периоды 1931 и 1932 годов Мак-Клинток работала в университете Миссури совместно с генетиком Льюисом Стэдлером, который ознакомил её с методом применения рентгеновских лучей в качестве мутагена (облучение образца рентгеновским излучением увеличивает частоту мутаций). В ходе работы над получением мутаций у кукурузы она обнаружила кольцевые хромосомы, которые образовывались путём соединения разрывов хромосом, вызванных радиационным воздействием. Мак-Клинток выдвинула гипотезу о том, что на концах хромосом должны иметься структурные образования, которые в нормальных условиях обеспечивают стабильность хромосомы. Она показала, что аномальное поведение кольцевых хромосом при митозе вызывает пёстролистность листьев у кукурузы. В те же годы она выявила наличие «ядрышковых организаторов» в 6-й хромосоме кукурузы. Согласно современным представлениям этот участок содержит повторы генов рибосомных РНК и отвечает за образование ядрышка, где происходит транскрипция и созревание рибосомных РНК.
Мак-Клинток получила грант от Фонда Гуггенхайма, что позволило ей пройти шестимесячное обучение в Германии в 1933—1934 годы. Она планировала работать во Фрайбургском университете и институте кайзера Вильгельма в Берлине совместно с Куртом Штерном, открывшим кроссинговер у дрозофил спустя лишь несколько недель после исследований Мак-Клинток и Крейтон. Тем временем, Штерн эмигрировал в США, поэтому Мак-Клинток работала в Германии с Рихардом Гольдшмидтом. Барбара вскоре покинула Европу, где нарастала политическая напряжённость, и вернулась в Корнелльский университет, где проработала до 1936 года. В этом году Льюис Стэдлер предложил ей должность ассистента профессора на кафедре ботаники в университете Миссури.
Университет Миссури
В университете Миссури Мак-Клинток углубилась в исследование воздействия рентгеновского излучения на хромосомы кукурузы. Она наблюдала эффект возникновения разрывов и последующих слияний хромосом в облучённых клетках. Такой же эффект она наблюдала в некоторых других растениях — в клетках эндосперма происходил спонтанный разрыв хромосом. Она обнаружила, что после облучения образовавшиеся разрывы хромосом могли неправильно соединиться, приводя к слиянию хроматид разных хромосом. В анафазе митоза такие соединённые хромосомы формировали хроматидную перемычку, которая разрывалась во время движения центромер к полюсам клетки. Вновь образовавшиеся разрывы хромосом после репликации снова неправильно соединялись в интерфазе следующего клеточного цикла, таким образом порочный круг повторялся, вызывая массовые мутации. Цикл из разрыва, слияния и создания перемычки, так называемый цикл «breakage-fusion-bridge», явился ключевым открытием цитогенетики по нескольким причинам: во-первых, было показано, что воссоединение хромосом носило не случайный характер, и во-вторых, была выявлена причина обширных мутаций. По этой причине цикл остаётся объектом исследований в области онкологии и по сей день.
Несмотря на достижения в университете Миссури, Барбара была недовольна своей должностью. Её не допускали до участия на факультетских заседаниях и скрывали информацию о наличии должностей в других научных учреждениях. В 1940 году она писала Чарльзу Бёрнхэму:
«Я решила, что должна искать другую работу. Насколько я понимаю, здесь мне больше нечего делать. Я ассистент профессора, получающий $3 000, и полагаю, что для меня это предел.»
Мак-Клинток полагала, что не сможет сделать академическую карьеру в университете Миссури, хотя она знала о том, что ей будет предложено повышение весной 1942 года. В начале 1941 года Барбара была приглашена заведующим кафедрой генетики на работу летом в лаборатории в Колд-Спринг-Харбор. Она взяла отпуск в университете Миссури, надеясь найти другую должность. Также она приняла приглашение в профессуру в Колумбийском университете, где работал её бывший коллега по Корнелльскому университету Маркус Роудс. Он предложил ей участвовать в его исследованиях в Колд Спринг Харбор на Лонг-Айленде. В декабре 1941 года Милиславом Демеречем, недавно назначенным исполняющим обязанности директора, ей была предложена должность исследователя, и она была зачислена в штат на кафедре генетики в Институте Карнеги.
Колд Спринг Харбор
После года работы на временной должности Мак-Клинток перешла на полную ставку в лабораторию Колд-Спринг-Харбор. Здесь она продолжила заниматься циклом «breakage-fusion-bridge», используя его в качестве замены рентгеновских лучей для составления генетической карты. В 1944 году в знак признания её заслуг в области генетики Мак-Клинток была избрана членом Национальной академии наук, став третьей женщиной, удостоившейся этого звания. В следующем 1945 году она стала первой женщиной-президентом Генетического общества США. В 1944 году она провела цитогенетический анализ Neurospora crassa по предложению Дж. Бидла, использовавшего этот гриб для доказательства теории «один ген — один фермент». Для проведения исследований Бидл пригласил её в Стэнфордский университет. Там Мак-Клинток описала кариотип N. crassa, а также его полный жизненный цикл. Впоследствии гриб N. crassa стал классическим генетическим объектом.
Открытие контролирующих элементов
Летом 1944 года в лаборатории Колд Спринг Харбор Мак-Клинток начала проведение систематических исследований мозаицизма семян кукурузы и механизмов его изменчивого наследования. В одной из линий кукурузы в мейозе она наблюдала регулярные разрывы и воссоединения хромосом в области короткого плеча 9-й хромосомы. На дистальном конце этой хромосомы был расположен узелок гетерохроматина, недалеко от него по направлению к центромере локализовались рецесссивные мутации генов. Мак-Клинток выделила два новых доминантных взаимодействующих локуса: Диссоциатор (англ. Dissociator, Ds) и Активатор (англ. Activator, Ac). Она обнаружила, что диссоциатор не только вызывает разрыв хромосом и вызывает нестабильные мутации, но в присутствии активатора по-разному воздействует на соседние гены. В начале 1948 года она сделала интересное открытие — как с диссоциатором, так и активатором может происходить транспозиция, то есть они способны менять своё положение на хромосоме. Эффект транспозиции Ac и Ds выражался в изменении окраски зёрен кукурузы относительно образцов из поколений от контрольного скрещивания. Мак-Клинток описала взаимосвязь между локусами, использовав микроскопический анализ. Она сделала вывод о том, что Ac контролирует транспозицию Ds в 9-й хромосоме, и перемещение Ds сопровождается разрывом хромосомы. Во время своего движения Ds перестаёт подавлять ген цвета алейронового слоя, последний переходит в активную форму, что вызывает синтез пигмента в клетках. Поскольку транспозиция Ds в разных клетках происходит по-разному, это приводит к мозаицизму. Размер пигментировавших областей на зёрнах зависит от степени развития зерна на момент диссоциации.
В 1948-1950 годах Мак-Клинток разрабатывала теорию, согласно которой мобильные элементы влияют на гены, селективно ингибируя и регулируя их активность. Она охарактеризовала диссоциатор и активатор как «контролирующие единицы», а позже как «контролирующие элементы», чтобы подчеркнуть их свойство влиять на работу соседних генов. Она предположила, что генная регуляция может объяснить, почему в сложных многоклеточных организмах образуются различные клетки и ткани, несмотря на то, что все клетки обладают идентичным геномом. Открытие Мак-Клинток поставило под сомнение представление о геноме как о статичном наборе правил, передающихся из поколения в поколение. В 1950 году она опубликовала свою работу об активаторах и диссоциаторах.
Работы Мак-Клинток по исследованию контролирующих элементов и генной регуляции в силу их сложности не сразу были осмыслены и приняты современниками. Научные изыскания воспринимались, по её словам, как «загадочные, даже враждебные». Летом 1951 года Мак-Клинток доложила об исследовании изменчивости генов на ежегодном симпозиуме в Колд Спринг Харбор. Её работа была встречена «каменным молчанием». Несмотря на это, Мак-Клинток продолжила проведение исследований контролирующих элементов. В 1953 году она опубликовала статью, где представила полученные статистические данные, и в 1950-х годах провела лекционный тур в нескольких университетах, посвящённый её работе. Она продолжила исследования в этой области и обнаружила новый элемент Супрессор-мутатор (англ. Suppressor-mutator, Spm), охарактеризованный как траспозон и обладающий сложными свойствами, так же как и комплекс Ac/Ds (система «ассоциация — диссоциация»). Основываясь на отношении научного сообщества к её работам и чувствуя опасность отчуждения от научного мейнстрима, с 1953 года Мак-Клинток перестала публиковать отчёты об исследованиях контролирующих элементов.
Влияние пропорции Ac/Ds на окраску зёрен. Зерно 10 бесцветно: в нём отсутствуют элементы Ac, и элементы Ds полностью ингибируют синтез пигментов антоцианов. В клетках зёрен с 11 по 13 присутствует по одному типу Ac, Ds могут перемещаться, что позволяет синтезировать некоторое количество антоцианов и приводит к мозаицизму зёрен. В клетках зёрен 14 и 15 присутствует по два и по три Ac соответственно
Исследование южноамериканских видов кукурузы
В 1957 году Мак-Клинток получила субсидии от Национального научного фонда и Фонда Рокфеллера на исследования кукурузы в Южной Америке, где велико разнообразие видов кукурузы. Она была заинтересована в изучении эволюции кукурузы, а в Южной Америке для этого у неё было бы больше возможностей. Мак-Клинток изучала хромосомные, морфологические и эволюционные признаки различных видов кукурузы. В 1962 году она возглавила группу из четырёх учёных, работавших над исследованием южноамериканских видов кукурузы в Университет Северной Каролины в Роли. Двое из них, Альмиро Блюменшайн и Энджел Като, также стипендиаты фонда Рокфеллера, продолжили исследования в этом направлении и в 1970-х годах. В 1981 году совместно с Мак-Клинток они опубликовали статью о хромосомном наборе видов кукурузы, которая считается поворотной в исследовании кукурузы и внёсшей значительный вклад в исследования эволюционной ботаники, этноботаники и палеоботаники.
Повторное открытие контролирующих элементов
Мак-Клинток оставила должность в институте Карнеги в 1967 году и была избрана почётным членом института. Это звание позволило ей в качестве эмерита продолжить сотрудничество с аспирантами и сотрудниками лаборатории Колд Спринг Харбор. Ссылаясь на обещание не публиковать развёрнутые отчёты по исследованию контролирующих элементов, в 1973 году она писала:
Спустя годы я обнаружила, что сложно, если не невозможно, донести до сознания другого человека сущность его предположений, в то время как я пришла к ним опытным путём. Это стало мне мучительно очевидно в 1950-х годах, когда я пыталась убедить генетиков в том, что работа генов может и должна контролироваться. Сейчас так же тяжело осознавать предубеждённость многих насчёт природы контролирующих элементов кукурузы и их работы. Приходится выжидать, пока сменится общее представление.
Значимость открытий Мак-Клинток обнаружилась в 1960-х годах, когда французские генетики Франсуа Жакоб и Жак Моно описали генную регуляцию lac оперона. После опубликования в 1961 году Жакобом и Моно статьи «Генетические регуляторные механизмы синтеза белков» в журнале Journal of Molecular Biology Мак-Клинток опубликовала статью в журнале The American Naturalist, в которой она провела сравнение между генной регуляцией для lac оперона и кукурузы.
Мак-Клинток получила широкое признание за открытие транспозиции в конце 1960-х — начале 1970 годов после открытия этого процесса в бактериях и дрожжах. В этот период в молекулярной биологии появились новые методы, позволившие исследовать транспозицию на молекулярном уровне. В 1970-х годах Ac and Ds были клонированы, и было показано, что они относятся к транспозонам 2 типа. Ac синтезирует фермент транспозазу, необходимый для перемещения контролирующих элементов. Ds имеет мутацию в гене транспозазы, которая не позволяет ему перемещаться без стороннего источника транспозазы. Таким образом, Ds не может перемещаться в отсутствие Ac. Последующие исследования показали, что транспозоны обычно не перемещаются до тех пор, пока клетка не попадёт под воздействие радиации или не претерпит цикл «breakage-fusion-bridge», таким образом активация контролирующих элементов служит причиной генетической изменчивости. Мак-Клинток поняла эту роль транспозонов задолго до других.
Награды, признание и общественный резонанс
Барбара Мак-Клинток читает Нобелевскую лекцию (8 декабря 1983)
В 1971 году Мак-Клинток получила из рук президента США Ричарда Никсона национальную научную медаль. В 1973 году в её честь был назван один из корпусов лаборатории в Колд Спринг Харбор. В 1981 году она стала первым обладателем стипендии фонда Мак-Артуров размером $60 000 ежегодно на срок пять лет, получила премию Альберта Ласкера, премию Вольфа и медаль Томаса Ханта Моргана (совместно с Маркусом Роудсом). В 1982 году Мак-Клинток получила премию Колумбийского университета с формулировкой «за исследование изменений генетической информации и контролирования её экспрессии».
Венцом карьеры Барбары Мак-Клинток стала Нобелевская премия по физиологии и медицине, присуждённая ей 10 октября 1983 года с формулировкой «За открытие мобильных генетических элементов» за открытие, сделанное ей более тридцати лет назад. Примечательно, что о её номинировании на получение премии она узнала из радиопередачи. Мак-Клинток стала третьей женщиной, ставшей одиночным лауреатом Нобелевской премии и первой женщиной-одиночным лауреатом премии в категории «по физиологии и медицине».
В общей сложности Мак-Клинток была удостоена 14 почётных докторских степеней и степени L.H.D.. В 1986 году она была включена в Национальную женскую галерею славы. В честь неё была утверждена премия размером $2000, присуждаемая студентам, обучающимся по одной из шести специальностей: растениеводство, ботаника, селекция растений, фитопатология, агрономия и почвоведение. В последние годы Мак-Клинток вела активную общественную жизнь, особенно после издания в 1983 году книги Э. Ф. Келлер «Чувство организма» (англ. A feeling for the organism), открывшей миру историю жизни Мак-Клинток. Она оставалась в штате лаборатории Колд Спринг Харбор и давала лекции молодым учёным о подвижных генетических элементах и об истории генетических исследований. В 1987 году вышел сборник 43 её публикаций.
2 сентября 1992 года в возрасте 90 лет Барбара Мак-Клинток скончалась в госпитале Хантингтона. По заявлению сотрудницы лаборатории Колд Спринг Харбор Лайзы Джентри смерть наступила от естественных причин. Мак-Клинток никогда не была замужем и не имела детей.
Американский историк науки Натаниэль Комфорт посвятил биографии Мак-Клинток книгу «Заросшее поле: Барбара Мак-Клинток в поисках принципов генетического контроля». В своей книге Комфорт оспаривает некоторые факты, которые были изложены в более ранней биографии, изданной Эвелиной Келлер. В частности, Келлер заявляет о том, что Мак-Клинток долгое время игнорировалась как учёный, поскольку она была женщиной, тогда как Комфорт указывает на то, что Мак-Клинток уважали как учёного уже в ранние годы её карьеры. Хотя Комфорт и оспаривает факт дискриминации Мак-Клинток как учёного, о ней много писали в рамках «женских исследований», например, последние биографические работы о женщинах-учёных ссылаются на её жизненный опыт. Мак-Клинток послужила образцом для подражания для девочек во многих книгах американской подростковой литературы.
Лабораторный корпус в Колд Спринг Харбор до сих пор носит её имя.
Чагин Алексей Сергеевич
По материалам Википедия
