НЕРЕШАЕМЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ. Ключевые слова
 Скачать 124.5 Kb.
|
515 БИОХИМИЯ, 2018, том 83, вып. 4, с. 515 – 527 УДК 577.2 ФГБУН Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 117997, Москва, Россия; электронная почта: edsverd@gmail.com Поступила в редакцию 12.11.17 В обзоре указано на существование трех категорий нерешаемых биологических проблем: 1) нерешаемые проблемы вследствие стохастических мутаций при репликации ДНК, из за которых нельзя создать две идентичные особи, в том числе, две одинаковые сложные клетки (Свердлов Е.Д., Биохимия, 2009, 74, 939–944) и нельзя «победить» рак; 2) проблемы, нерешаемые вследствие взаимодействий в сложных систе мах, приводящих к непредсказуемым «возникающим (emergent) свойствам, из за которых невозможно уста новить однозначную взаимосвязь между генетической архитектурой генома и ее фенотипическим проявле нием, и нельзя с определенностью предсказать реакцию организма, его частей или патологических процес сов на внешнее воздействие; 3) проблемы, нерешаемые вследствие существования принципа неопределен ности и эффекта наблюдателя в биологии, из за которых нельзя получить адекватную информацию о клет ках в их тканевом микроокружении путем выделения и анализа отдельных клеток (single cells) и нельзя на основании культур стволовых клеток делать выводы о свойствах стволовых клеток в их нишах. Предлагает ся стратегия подхода к установлению максимально приближенной картины взаимосвязей генотипов с фе нотипами путем построения сетей промежуточных фенотипов (эндофенотипов). КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: стохастические мутации, возникающие свойства, гетерогенность, биологический принцип неопределенности, фенотип, генотип, селектируемая функция. «Одним из самых ярких аспектов физики яв ляется простота ее законов. Уравнения Макс велла, уравнение Шрёдингера и гамильтонова механика могут быть выражены в нескольких строках. Идеи, составляющие основу нашего мировоззрения, также очень просты: мир под чиняется законам, и все основные законы соб людаются повсюду. Все просто, аккуратно и вы разительно с точки зрения повседневной мате матики, либо дифференциальных уравнений с частными производными, либо обыкновенных дифференциальных уравнений. Все просто и ак куратно — за исключением, конечно, мира. Всюду, куда бы вы не взглянули, – конечно, вне стен класса физики — человек видит мир удиви тельной сложности» [1]. Kadanoff и Goldenfeld [1] дают некоторые ре комендации как исследовать сложный мир. Эти рекомендации так же просты, как физические законы: «Чтобы извлечь физические знания из сложной системы, нужно сосредоточиться на правильном уровне описания. Например, неко торые вычислительные биологи пытаются ими тировать динамику белка, следуя за каждой ма лой частью молекулы. Результат: большая часть компьютерных циклов проводится, наблюдая за тем, как маленькие группы ОН колеблются впе ред и назад. Ничего биологически значимого не происходит в это время... Используйте правиль ный уровень описания, чтобы уловить явления, представляющие интерес. Не моделируйте буль дозеры кварками... По мере того, как наука пе реходит на сложность, нужно осознать, что сложность требует установок, совершенно отли чающихся от тех, которые до сих пор были расп ространены в физике. До сих пор физики иска ли фундаментальные законы, справедливые для всех времен и во всех местах. Но каждая слож НЕРЕШАЕМЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ: НЕЛЬЗЯ СОЗДАТЬ ДВА ОДИНАКОВЫХ ОРГАНИЗМА, НЕЛЬЗЯ ПОБЕДИТЬ РАК, НЕЛЬЗЯ КАРТИРОВАТЬ ОРГАНИЗМ НА ГЕНОМ Обзор © 2018 Е.Д. Свердлов Технологии галопируют впереди концепций. Мы уходим от изучения сложности организмов, от процессов и организации к составным частям. (James Black, Nobel Prize for Medicine in 1988) 6* СВЕРДЛОВ БИОХИМИЯ том 83 вып. 4 2018 516 ная система отличается от другой. По видимому, нет общих законов для сложности. Вместо этого нужно извлекать «уроки», которые, с проница тельностью и пониманием, могут быть изучены в одной системе и применены к другой». С другой стороны, такой выдающийся фи зик, как Нильс Бор, формулировал непознавае мость жизни, поскольку «мы, без сомнения, убили бы животное, если бы попытались довес ти исследование его органов до того, чтобы можно было сказать, какую роль играют в его жизненных отправлениях отдельные атомы… Минимальная свобода, которую мы вынуждены предоставлять организму, как раз достаточна, чтобы позволить ему, так сказать, скрыть от нас свои последние тайны. С этой точки зрения са мое существование жизни должно в биологии рассматриваться как элементарный акт, подоб но тому, как в атомной физике существование кванта действия следует принимать за основной факт, который нельзя вывести из обычной меха нической физики» [2]. Это принцип неопреде ленности в биологии, который похож на прин цип неопределенности в физике. Если даже не убивать живое, то, вторгаясь с прибором для исследования внутрь живой сис темы, мы так искажаем ее свойства, что иссле дуем не ее, а продукт ее взаимодействия с при бором в месте этого взаимодействия. Поскольку принципиально невозможно исключить взаи модействие электрона с прибором, с помощью которого мы исследуем свойства электрона, мы не можем определить его скорость и координату одновременно. Взаимодействие прибора с объ ектом, которое искажает свойства этого объек та, называют эффектом наблюдателя. Но принцип неопределенности и есть один из фундаментальных законов физики. И в био логии, в формулировке Бора, он прост так же как и в физике. Возможно, не будучи в состоя нии сформулировать такие позитивные фунда ментальные законы, как уравнение Шрединге ра или законы Ньютона, мы можем все таки сформулировать запретительные законы для биологии. Замечательный советский астрофизик Шклов ский высказал такую точку зрения: «Наука — это сумма запретов. Нельзя создать вечный дви гатель. Нельзя передать сигнал со скоростью, большей, чем скорость света в пустоте, нельзя одновременно измерить координату и скорость электрона» [3]. Это очень изящное определение, хотя, конечно, недостаточное. Тем не менее, оно дает возможный путь определения некоторых основных фундаментальных законов не только для физики. Законов запретительных. Законов «Нельзя». И тогда можно спросить: существуют ли зап реты биологии? Осознание таких запретов поз волило бы не выполнять исследований, которые подпадают под действие запрета. Это привело бы к колоссальной экономии ресурсов. На принципиально нерешаемые проблемы не сле дует тратить время и деньги. Так же как на соз дание вечного двигателя. Я пытался ответить на этот вопрос в своем обзоре «Фундаментальные запреты биологии», опубликованном в журнале «Биохимия» в 2009 г. [4], где в качестве основного запрета выдвигал запрет на существование двух одинаковых сложных живых систем, обусловленный стохас тическими мутациями, происходящими при каждом клеточном делении. В этом обзоре я делаю более широкие обоб щения и пытаюсь проиллюстрировать их, в частности, запретом на понимание однознач ной взаимосвязи между генетической архитек турой генома и ее фенотипическими проявле ниями. Часть высказываемых здесь положений я публиковал ранее [5, 6]. КАТЕГОРИИ НЕРЕШАЕМЫХ ПРОБЛЕМ I. Нерешаемые проблемы вследствие стохас тических мутаций при репликации ДНК: 1) нельзя создать две идентичные особи, в том числе, две одинаковые сложные клетки [4]; 2) нельзя побе дить рак. Мне также очень хотелось бы сформулиро вать и такой запрет: нельзя победить старость и естественную смерть, но на этой проблеме я не смогу остановиться ввиду ограниченности объе ма обзора и сложности проблемы и отсылаю чи тателей к недавним обзорам [7–9], оставляя проблему на их суд. II. Нерешаемые проблемы вследствие взаимо действий в сложных системах, приводящих к не предсказуемым «возникающим» (emergent) свой ствам: 1) нельзя на основании свойств признака установить его причины (обратная задача); 2) нельзя на основании известных причин, если они взаимодействуют между собой, установить однозначно свойства признака, вследствие воз никающих свойств (прямая задача); 3) нельзя с определенностью предсказать реакцию слож ной системы на внешнее воздействие. III. Нерешаемые проблемы вследствие суще ствования принципа неопределенности и эффекта наблюдателя в биологии: 1) нельзя получить адекватную информацию о клетках в их ткане вом микроокружении путем выделения и анали НЕРЕШАЕМЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ БИОХИМИЯ том 83 вып. 4 2018 517 за «single cells» – транскриптома, протеома и т.д. В частности, нельзя на основании культур ство ловых клеток делать выводы о свойствах стволо вых клеток в их нишах; 2) нужно помнить, что зонд, введенный в систему для наблюдения, ме няет ее свойства, по крайней мере, в месте поло жения зонда (эффект наблюдателя). Эту проблему я упомянул во введении. Ее, по видимому, первым сформулировал Нильс Бор. Ее я также не смогу обсудить и также отсы лаю читателя к обзорам [10, 11]. Эта система запретов, в частности, запрет на идентичность организмов вследствие неизбеж ных стохастических мутаций, приводящих к чрезвычайной внутри организменной и межор ганизменной гетерогенности, призывает к осто рожности, точнее ставит пределы надеждам на персонализированную медицину [12]. На проблемах, которые я уже обсуждал в не давних обзорах, я остановлюсь очень кратко, оперируя в основном самыми последними дан ными и отсылая читателей к ним и к цитирован ной в них литературе. Основной фокус данного обзора будет сосредоточен на проблемах I и II. I. 1) Нерешаемые проблемы вследствие сто хастических мутаций при репликации: нельзя соз дать две идентичные особи, в том числе две одина ковые сложные клетки. Эти запреты связаны с постоянно происходящими при репликации ДНК разного рода мутациями. Как часто бывает в биологии, точного определения мутации не существует. Мутации представляют собой изме нения нуклеотидной последовательности гено ма организма. Они возникают в результате невос становленных повреждений ДНК (как правило, вызванных радиационными или химическими мутагенами), от ошибок в процессе репликации или вставки или делеции сегментов ДНК под вижными генетическими элементами. Мутации могут приводить или не приводить к заметным изменениям наблюдаемых характеристик (фе нотипа) организма. Слово происходит от лат. mutare — менять, изменяться. Первые мутации передаются нам с половы ми клетками родителей и затем накапливаются в клетках, начиная с первых делений зиготы и на протяжении всей жизни. Гены и хромосомы могут мутировать в любой соматической или зародышевой ткани, и эти из менения называются соматическими и герми нальными мутациями соответственно. Сомати ческие не передаются потомству, тогда как гер минальные мутации могут передаваться. В зародышевой линии происходят герминаль ные мутации. Если мутантная половая клетка участвует в оплодотворении, то мутация будет передана следующему поколению. И если мута ция зародышевой линии будет присутствовать во всех соматических клетках, постзиготичес кая, соматическая мутация может быть обнару жена только тогда, когда клетка, которая мути ровала, дает начало линии клеток, содержащей значительную часть отобранной популяции кле ток [13]. Если соматическая мутация возникает в од ной клетке при развитии соматической ткани, эта клетка является прародителем популяции идентичных мутантных клеток, все из которых произошли от клетки, которая мутировала. По пуляция клеток, полученных из одной клетки предшественника, называется клоном. Чем рань ше в развитии происходит мутация, тем больше будет доля мутантных клеток в популяции кле ток организма. В последние годы в связи с появлением вы сокопроизводительных методов секвенирова ния нового поколения достигнут большой прог ресс в установление скорости этих мутаций. Современные оценки скорости мутаций. В нор мальных тканях оценки скорости мутации зна чительно варьируют: обычно от 10 –9 до 10 –10 му таций на пару оснований на деление клетки [14–16]. Например, в обзоре [15] средняя ско рость мутации пары оснований в клеточной ли нии, ведущей к развитию сетчатки, была опре делена как 0,99 × 10 –9 на деление клеток, в ки шечных эпителиальных клетках – 0,27 × 10 –9 , в B и T лимфоцитах – 1,47 × 10 –9 , а в гене HPRT в культурах фибробластов – 0,34 × 10 –9 . Было обнаружено, что отношение замен оснований к малым вставкам/делециям и мутациям при ре комбинации составляет 0,9 : 0,08 : 0,04. Эти ве личины примерно соответствуют более поздним оценкам [17]. Что касается взрослых стволовых клеток (ВСК) и клеток, закладывающих основы разви тия эмбриона, небольшое количество которых приводит к появлению всех его тканей, сущест вует мнение, что они должны иметь надежные механизмы для предотвращения или восстанов ления повреждения ДНК [18–20]. Поддержание геномной целостности является жестко регули руемым решающим фактором, как для предше ственников, так и для стволовых клеток в их ес тественной среде, но не для изолированных стволовых клеток. Например, ниши стволовых клеток играют существенную роль в поддержа нии ВСК или предотвращении возникновения опухолеобразования путем обеспечения инги бирующих сигналов, как для пролиферации, так и для дифференцировки [21–23]. Во время про цессов спецификации клеточных линий в блас тоцисте клетки внутренней клеточной массы также находятся под строгим контролем сигна СВЕРДЛОВ БИОХИМИЯ том 83 вып. 4 2018 518 лов от других клеток и контактных/позицион ных связей клетка клетка [16, 24]. Скорость мутации зародышевой линии че ловека в расчете на пару оснований на клеточ ное деление составляет 6 × 10 –11 на деление клеток, приближаясь к самым низким показате лям, наблюдаемым у одноклеточных видов. Это в 10–100 раз ниже, чем в различных соматичес ких тканях человека [13, 25–28]. Обе скорости мутации у мышей значительно выше, чем у лю дей [13]. Мутации в зародышевых клетках часто при водят к наследственным заболеваниям (см. об зоры [29–33]). Важно отметить, что единицы измерения скорости мутаций обычно различаются для со матических и герминальных клеток. Для сома тических клеток это, как правило, число мута ций на пару оснований на клеточное деление, тогда как для герминальных мутаций чаще ис пользуют количество мутаций на пару основа ний на целый геном за генерацию. В популяцион ной биологии и демографии время генерации – это среднее время между двумя последователь ными поколениями в популяции. В человечес ких популяциях время генерации обычно сос тавляет от 22 до 32 лет. Время генерации может также определяться как время, необходимое для рождения человека, достижения половой зре лости и воспроизведения. Отвлекаясь от многих нюансов, связанных с различиями во времени генерации герминаль ных клеток у сперматозоидов и ооцитов (чита тель может посмотреть это в базе данных http://book.bionumbers.org/what is the mutation rate during genome replication или в хорошем блоге http://sandwalk.blogspot.ru/2015/04/human mutation rates whats right number.html), произ веду некоторые приблизительные расчеты для гетерогенности соматических клеток, поскольку именно они будут представлять для нас основ ную базу для рассуждений о различиях между индивидуумами. Взрослый человеческий организм состоит приблизительно из 10 14 клеток. Игнорируя, что разные ткани могут достигать полной диффе ренциации в разное время и клетки могут поги бать, оценка числа клеточных делений, в резуль тате которых образуется конечная дифференци рованная клетка, дает величину N 46 (10 14 = 2 N , Nlog2 = 14). Если мы примем, на основании вы шеприведенных данных, скорость мутаций 10 –9 и длину генома 3 × 10 9 , то конечная соматичес кая клетка в результате получит 120 мутаций, отличающих ее от исходной. Соседняя клетка получит столько же, но они будут расположены в других местах (стохастика!). Итак, каждые две клетки взрослого организма будут отличаться друг от друга более чем 200 мутационных замен. Вероятность, что найдется две клетки, у кото рых положение всех 100 мутаций будут совпа дать, очень низка. Таким образом, индивидуум представляет собой мозаику разных клеток. Этот теоретический вывод с приходом эры пол ногеномных секвенирований получает практи ческие подтверждения [34, 35]. Добавим к этому еще стохастику эпигенетических изменений [36], и мы придем к выводу, что нет двух одина ковых генетически и эпигенетически индивиду умов. Каждый человек с точки зрения строения генома и эпигенома уникален. Отсюда следует запрет I. 1) нельзя создать двух идентичных индивидуумов и двух идентич ных сложных клеток. Идентичные (гомозигот ные) близнецы не идентичны [37–39]. I. 2) Нельзя победить рак. Пока гены продол жают спонтанно мутировать, рак никогда не будет искоренен полностью. Он постоянно будет возни кать. Лечение рака проблематично. Есть две сто роны в этой проблеме: неизбежность возникно вения рака в популяции и проблемы с его прог ностической диагностикой и лечением. Неизбежность возникновения рака в популяции. В 1996 г. было опубликовано широко известное [40] интервью с выдающимся онкологом Альф редом Кнудсоном (Alfred G. Knudson), где он сказал: «Пока гены продолжают спонтанно му тировать, рак никогда не будет искоренен пол ностью. Думать иначе нереалистично… Но мож но надеяться, что через четверть века мы мини мизируем смертность от рака тех, кому сейчас 60 лет». Теперь аксиоматично, что первопричиной рака являются повреждения генов, которые да лее приводят к последующей эволюции слож ной системы, представляющей собой раковую опухоль [41] (об этом ниже). Ряд эксперимен тальных фактов обосновывает этот вывод: сох ранение злокачественного фенотипа раковых клеток через множество клеточных делений; му тагенность различных агентов, которые могут вызывать рак; наличие хромосомных аномалий в раковых клетках; случаи, когда рак представ ляет собой семейное заболевание; и предраспо ложенность к раку, которая наблюдается в слу чае наследуемых нарушений в репарации ДНК. В самое последнее время блестящие работы C. Tomasetti и B. Vogelstein показали, что вероят ность возникновения рака определённой ткани практически пропорционально зависит от час тоты делений стволовых клеток этой ткани, т.е. от частоты возникновения мутаций в ней [42]. Все вместе это указывает на измененный геном как основу рака. НЕРЕШАЕМЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ БИОХИМИЯ том 83 вып. 4 2018 519 Первые указания на то, что потенциальной причиной туморогенности являются обычные клеточные гены, протоонкогены, дали исследо вания РНК содержащих онковирусов. Прото онкогены могут быть преобразованы в «онкоге ны» посредством приобретения генетически до минантной способности ускорять клеточную пролиферацию. Далее выявилось, что возник новению раковых клеток могут также способ ствовать рецессивные дефекты в генах супрес сорах опухолей, гомозиготные дефициты кото рых способствуют опухолеобразованию. Соче тания активированных онкогенов и дефектных генов супрессоров опухолей присутствуют в большинстве, если не во всех раковых опухолях человека, накапливаясь ступенчато, чтобы сти мулировать клональное развитие и диверсифи кацию, приводящую к злокачественности (см. обзоры [43–48]). |