Viên ngọc của Darwin đã vượt qua rào cản Weismann • Tatyana Romanovskaya • Tin tức khoa học về “Yếu tố” • Di truyền học, Tiến hóa

Viên ngọc Darwin vượt qua rào cản Weismann

Hình 1. Biểu diễn sơ đồ lý thuyết pangenesis của Darwin (A) và lý thuyết rào cản Weismann (B). Ảnh từ quyển sách của E. Steele, R. Lindley, R. Blandand "Nếu Lamarck đúng thì sao?", Với những thay đổi nhỏ

Các nhà khoa học Ý đã quyết định kiểm tra xem các đặc điểm thu được có thể được truyền đến con cái thông qua việc chuyển trực tiếp các phân tử RNA cụ thể từ soma sang tế bào mầm hay không. Để làm được điều này, những con chuột được cấy ghép dưới da của con người bằng các tế bào u ác tính của con người với một gen protein huỳnh quang màu xanh lá cây tích hợp. Kỳ vọng đã được chứng minh: các phân tử RNA của một gen ngoại lai, tích lũy trong các tế bào cấy ghép, không chỉ được tìm thấy trong máu của động vật thí nghiệm, mà còn trong tinh trùng của chúng. Vì vậy, đây là lần đầu tiên chứng minh rõ ràng rằng – như Charles Darwin đã đề xuất trong lý thuyết gemmul và pangenesis và trái ngược với lý thuyết về cái gọi là rào cản Weismann – thông tin di truyền thực sự có thể được chuyển từ tế bào soma sang tế bào sex, ít nhất là ở dạng RNA.

Hiện nay, sự tồn tại của hai mức độ thông tin được công nhận, trên cơ sở đó tất cả các tế bào sống và sinh vật đa bào đều hoạt động.Mức độ đầu tiên là thông tin di truyền (văn bản từ bốn loại cơ sở nucleic mã hóa trình tự axit amin trong protein tế bào và được lưu trữ trong nhiễm sắc thể). Những thay đổi (đột biến) xuất hiện trong trình tự nucleoside của nhiễm sắc thể với một tần số nhất định. Nếu những đột biến này xảy ra trong nhiễm sắc thể của tế bào mầm, thì có những biến thể (alen) của gen được thừa kế theo luật cổ điển của Mendel.

Cấp độ thứ hai là thông tin biểu sinh (một bộ cơ chế rộng lớn xác định các điều kiện, địa điểm và thời gian đọc thông tin di truyền). Dựa trên thông tin biểu sinh, việc điều chỉnh gen được thực hiện, và sự khác biệt trong quy định này ảnh hưởng nghiêm trọng đến biểu hiện kiểu hình của cùng một gen ở các cá thể khác nhau. Để hiểu được khả năng của thông tin biểu sinh là bao nhiêu, nó đủ để nhớ lại tất cả các tế bào khác nhau của cơ thể, từ tế bào da đến tế bào thần kinh và hồng cầu, chứa cùng nhiễm sắc thể với cùng gen, và chỉ khác nhau ở các biến thể biểu sinh.

Những thay đổi trong thông tin biểu sinh (epimulation) xảy ra thường xuyên hơn nhiều so với thông tin di truyền.Epimutations được dựa trên các biến đổi hóa học cụ thể của DNA thực tế (methyl hóa / demethylation của cytosine) hoặc protein histone liên quan đến DNA, và các enzyme và điều chỉnh đặc biệt, bao gồm cả protein và RNA điều hòa đặc biệt, hoạt động trong tế bào để thực hiện những thay đổi hóa học này. Về bản chất, nó là trên biến thể biểu sinh mà cái gọi là biến đổi biến đổi dựa trên, ngụ ý các phản ứng thích ứng sinh lý có điều kiện của cơ thể với những ảnh hưởng môi trường.

Như thuyết giáo lý thuyết tổng hợp về sự tiến hóa được đưa ra, sự thay đổi biến đổi không được kế thừa, chỉ giới hạn ở các tế bào soma, các mô và các cơ quan. Giáo điều này xuất phát từ Augusta Weisman, người đã bác bỏ lý thuyết pangenesis (theo đó các hạt nhỏ đặc biệt, gemmules) được tạo thành trong các tế bào của cơ thể, mang thông tin về những thay đổi mà tế bào trải qua trong cuộc sống và truyền nó đến các tế bào mầm có lưu lượng máu; Hình 1, ở trên) và nhấn mạnh vào sự vắng mặt của bất kỳ kênh giao tiếp giữa các tế bào soma và mầm (cái gọi là "rào cản Weismann";1, bên dưới) và, kết quả là, về tính không thể thừa kế cơ bản của việc thừa kế các đặc điểm thu được.

Tuy nhiên, từ giữa thế kỷ XX, người ta thấy rằng một số epimutations ở thực vật có xu hướng lây truyền trong một loạt các thế hệ (cho một trong những trường hợp này, xem. Cơ chế của di truyền không phải Mendel vẫn còn bí ẩn, Elements, 17 tháng 10, 2007). Hiện tượng này được gọi là di truyền transgenerational epigenener. Thông thường tính chất biểu sinh của thừa kế có thể được xác định bởi đặc tính không phải Mendelian của việc phân tách đặc điểm phân tích ở con cái: các đặc tính mới xuất hiện trong con cháu nhiều hơn chúng phải theo kế hoạch di truyền cổ điển. Một dấu hiệu khác cho thấy chúng ta đang đối phó với các biến đổi, chứ không phải với các đột biến thực sự, là sự biến đổi kiểu hình gây ra bởi các điều kiện cụ thể dần dần "mất dần" trong một số thế hệ nếu các điều kiện gây ra không được hỗ trợ trong tương lai. Hơn nữa, trong thập kỷ qua, dữ liệu về sự tồn tại của di truyền chuyển gen biểu sinh đã tích lũy ở động vật, kể cả động vật có vú (xem, ví dụ,Sự tồn tại bền vững của dân số được đảm bảo bởi “bộ nhớ thế hệ” phi di truyền, “Yếu tố”, ngày 3 tháng 7 năm 2007 và Thông tin thừa kế được ghi lại không chỉ trong DNA, “Các nguyên tố”, ngày 1 tháng 6 năm 2006).

Có lẽ ấn tượng nhất trong những nghiên cứu này là bài báo được xuất bản trên tạp chí kinh nghiệm khứu giác của cha mẹ ảnh hưởng đến hành vi. Nature Neuroscience vào đầu năm 2014. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã phát triển một phản xạ tránh đối với mùi của acetophenone (một hợp chất thơm tự nhiên có trong hương anh đào của chim) ở chuột đực, cho dòng điện chạy vào buồng thử nghiệm cùng với acetophenone, và sau đó là con lai với những con cái chưa được đào tạo. Vẻ đẹp của thiết kế thí nghiệm là protein receptor cho acetophenone và gen mã hóa nó đã được biết đến, để kết quả có thể được ghi lại ở tất cả các cấp, từ biểu hiện gen đến giải phẫu biểu mô khứu giác và thay đổi hành vi của động vật.

Phân tích cẩn thận thấy rằng ở chuột ở con cái, trước tiên, số lượng tế bào có thụ thể cho hợp chất này trong biểu mô khứu giác được tăng lên.Thứ hai, động vật nhạy cảm hơn với mùi tương ứng: động vật cho thấy phản ứng lo lắng rõ rệt hơn với tín hiệu nguy hiểm (âm thanh lớn) khi có acetophenone (nhưng không phải propanol, được nhận biết bởi các tế bào nhạy cảm khác với các thụ thể khác). Nó cũng bật ra rằng trong tinh trùng của những con chuột được đào tạo và con cái của họ, mức độ methyl hóa của gen đã được giảm, trong đó, trên thực tế, mã hóa các thụ thể cho acetophenone. Hiệu quả này được duy trì trong hai thế hệ của con cái, mà không vượt qua việc đào tạo thích hợp.

Các tác giả loại trừ khả năng rằng các epimutation ảnh hưởng đến gen receptor acetophenone trong tinh trùng của động vật thí nghiệm xảy ra một cách tình cờ, vì những thay đổi giống hệt nhau trong kiểu hình của con cái ở tất cả các cấp đã được tái tạo tốt trong quá trình lặp lại thí nghiệm. Kết quả tương tự cũng đạt được nếu phụ nữ được đào tạo trong thế hệ cha mẹ. Với thiết kế thí nghiệm này, những con chuột sơ sinh đã được chuyển ngay lập tức sang một người mẹ nuôi chưa được đào tạo, vì vậy yếu tố xã hội đã bị loại trừ.

Cho đến nay, các tác nhân hứa hẹn nhất để truyền và cảm ứng epimutations dường như là RNA điều chỉnh, đặc trưng bởi khả năng chuyển đổi trạng thái của nhiễm sắc thể và sự biểu hiện của các gen trên một số vùng nhiễm sắc thể có độ đặc hiệu cao. Vào năm 2010, một nhóm tác giả đã xuất bản một bài tổng quan mô tả một số thí nghiệm họ đã thực hiện trên cảm ứng di truyền biểu sinh transgenerational ở chuột, nơi vai trò quan trọng của RNA trong việc thực hiện di truyền này đã được chứng minh một cách thuyết phục (M. Rassoulzadegan, F. Cuzin, 2010). : RNA kiểm soát phát triển qua trung gian ở chuột).

Ngoài ra còn có các ứng cử viên cho vai trò của các phương tiện chuyển giao giữa các tế bào RNA điều tiết: đây là các túi ngoại bào – các túi màng được tạo ra bởi các tế bào của tất cả các mô cơ thể và có khả năng chuyển nội dung của chúng sang các tế bào khác, bao gồm các mô khác. (Để biết chi tiết về các túi ngoại bào, đặc biệt, trên các exosomes, xem thêm tin tức. Các tế bào cơ thể giao tiếp bằng cách sử dụng các tin nhắn được đóng gói trong microvesicles, Elements, 28 tháng 12 năm 2010, và bài viết Exosomes là thư chai cơ thể.) Cần lưu ý rằng việc sản xuất các túi này là quá trình hoạt động, mô cụ thể và phụ thuộc vào tình trạng sinh lý của các tế bào.Đặc biệt, sản xuất của chúng tăng lên đáng kể khi các tế bào trải qua căng thẳng, và trong những điều kiện này nội dung của chúng, bao gồm các protein khác nhau, ma trận và RNA điều hòa, cũng thay đổi. Các màng của các túi như vậy có thể chứa các con trỏ "các địa chỉ giao hàng" dưới dạng các thụ thể đặc hiệu mô, đảm bảo tính chất không ngẫu nhiên của dạng giao tiếp giữa các tế bào này.

Đây là tất cả các luận cứ và giả thuyết, nhưng trong thực tế, cho đến nay chưa có ai kiểm tra xem các phân tử RNA có thực sự được chuyển từ tế bào soma đến tế bào tình dục hay không, và nếu như vậy, liệu exosomes có tham gia vào điều này không. Một nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học Ý, và nhằm mục đích lấp đầy khoảng trống này. Đề án của thí nghiệm được đưa ra bởi các tác giả là cực kỳ đơn giản, nó được thể hiện trong hình. 2

Hình 2 Đề án thí nghiệm về chuyển thông tin từ tế bào soma sang tinh trùng. Giải thích được đưa ra trong văn bản. Số liệu từ bài viết được thảo luận trong PLoS One

Gen của dòng melanoma màu xanh lá cây A-375 được giới thiệu bằng cách sử dụng vectơ virút với gen protein huỳnh quang xanh (GFP), vốn không có trong hệ gen của con người hoặc trong bộ gen của chuột, dễ phân biệt với các sản phẩm nội sinh.Sự thành công của hoạt động này đã được xác minh bằng một loạt các xét nghiệm chứng minh rằng gen thực sự được đưa vào DNA, gen này tích lũy RNA ma trận và protein được tích lũy trên RNA ma trận này (khiến cho các tế bào phát sáng xanh, như trong ảnh). Các exosomes sản xuất và phát hành bởi các tế bào biến đổi vào môi trường nuôi cấy cũng được thu thập và tinh chế. Tiến hành các thử nghiệm tương tự. Hóa ra là DNA của gen GFP không có trong các exosome, nhưng RNA và protein GFP cũng có mặt. Cuối cùng, các tế bào u ác tính của con người đã được sửa đổi được tiêm dưới da ở chuột (immunodeficient, do đó không có sự loại bỏ tế bào người). Dòng tế bào được chọn dựa trên thực tế là, theo dữ liệu sơ bộ, các tế bào này sống sót tốt trong dòng chuột được sử dụng và các exosome được sản xuất mạnh, làm tăng cơ hội nhận được kết quả dương tính. Nghiên cứu liên quan đến 25 loài động vật, trong đó mười lăm (nhóm thử nghiệm) được cấy với các tế bào biến đổi (với gen GFP), và thêm mười (nhóm chứng) – chưa sửa đổi.

Sau 45 ngày (vào thời điểm này, các tế bào cấy ghép có thời gian nhân lên và khối u mới hình thành có khối lượng khoảng 1 cm3a) tiến hành một nghiên cứu cuối cùng. Trước hết, các xét nghiệm được tiến hành cho sự hiện diện của GFP RNA trong máu của động vật (một sản phẩm máu hỗn hợp của 10 loài động vật của nhóm thí nghiệm đã được sử dụng). Đối với các phân tích sử dụng phương pháp PCR và lai axit nucleic. Kết quả là tích cực. Sau đó, họ đảm bảo rằng RNA của gen GFP được tìm thấy trong các exosomes tinh khiết từ máu của cùng một nhóm động vật thí nghiệm. Và cuối cùng, cùng một RNA được phát hiện trong tinh trùng. Các chế phẩm RNA tinh trùng cũng được chuẩn bị từ một mẫu hỗn hợp từ 10 loài động vật và một lần nữa nhận được kết quả dương tính. RNA của gen GFP được phát hiện thành công trong một mẫu hỗn hợp tinh trùng thu được từ hai động vật khác của nhóm thực nghiệm. Phân tích bổ sung các mẫu RNA tinh trùng riêng lẻ từ ba động vật còn lại cho kết quả âm tính và hai kết quả dương tính. Song song, các quy trình và phân tích tương tự đã được thực hiện cho các mẫu máu, exosomes và tinh trùng từ động vật của nhóm đối chứng. Như đã dự đoán, không có mẫu nào trong số các mẫu này cho thấy RNA của gen GFP, mặc dù các phản ứng với sự hiện diện của RNA của gen của chúng là tích cực trong cả nhóm thử nghiệm và nhóm chứng.

Các tác giả kết luận rằng không có rào cản không thể vượt qua nào làm cho việc chuyển thông tin di truyền giữa tế bào soma và mầm không thể, và do đó, về mặt lý thuyết, việc chuyển RNA với exosomes cũng có thể hoạt động như một trong những cơ chế đảm bảo di truyền biểu sinh thế hệ transgenerational được mua lại bởi cha mẹ của những sửa đổi thích ứng. Tất nhiên, thiết kế của thí nghiệm cho thấy việc tạo ra một hoàn cảnh không tự nhiên: sau cùng, gen cũng là người ngoài hành tinh, và chính các tế bào của người hiến, nhưng sự mong đợi hơn là kích hoạt hàng rào bảo vệ, nếu nó thực sự tồn tại. Và nó thậm chí có nhiều khả năng là các quá trình tương tự có thể diễn ra trong sinh lý học tự nhiên.

Làm thế nào hiện tượng được phát hiện chính xác tương ứng với pangenesis Darwin? Ý tưởng của Darwin là những viên ngọc, chuyển một số chất từ ​​tế bào soma sang tế bào tình dục, có thể thay đổi vật chất di truyền theo hướng tương ứng với sự thích nghi phát triển ở cấp mô soma, và nhờ đó, thực hiện sự tiến hóa theo hướng thích ứng.Nhưng di truyền biểu sinh, như đã đề cập ở trên, là không ổn định và dễ dàng đảo ngược, trong khi, nói về sự tiến hóa, chúng tôi có nghĩa là một số thay đổi đảo ngược ổn định và khó khăn cố định trong kiểu gen. Sự chuyển giao RNA trong thành phần của exosomes có thực sự mang lại sự thay đổi bộ gen được chỉ đạo không?

Chúng ta có thể giả định sự tồn tại của một số cách ảnh hưởng như vậy. Đầu tiên, các RNA điều hòa gây ra những thay đổi cục bộ trong trạng thái nhiễm sắc thể, nên có một ảnh hưởng nhất định đến sự phân bố xác suất của các biến cố đột biến trên DNA ở một số vùng nhất định. Thứ hai, với hoạt tính cao của men sao chép ngược trong tinh trùng và tiền thân của họ, có khả năng có được nguồn gốc mới trong quá trình sao chép ngược từ RNA mẫu hoặc chuỗi chỉnh sửa đã có trong bộ gen bằng cơ chế chuyển đổi (thay đổi trình tự nucleotide trong hệ gen bằng cách "gian lận" nhưng không giống trình tự trên ma trận bên ngoài, bao gồm cả mẫu RNA hoặc bản sao DNA của nó). Thứ ba, trong ánh sáng của dữ liệu của bài báo đang được xem xét,nơi chuyển giao một gen hoàn toàn xa lạ giữa các tế bào của các loại khác nhau (cụ thể là từ tế bào u ác tính ở người sang tế bào sinh dục chuột) với sự tham gia của exosomes RNA, vai trò của cơ chế chuyển gen ngang không thể loại trừ. Ở đây chúng ta có thể nhớ lại, ví dụ, tuyến trùng, trong đó genome của vi khuẩn có nguồn gốc vi khuẩn được chèn vào bằng cách nào đó, nhờ đó các sinh vật này đã thích nghi với ký sinh trùng có hiệu quả trên cây (xem gen vi khuẩn giúp ký sinh trùng tuyến trùng trên thực vật, Elements, 18.10. 2010).

Nguồn: C. Cossetti, L. Lugini, L. Astrologo, I. Saggio, S. Fais, C. Spadafora. Soma-to-germline truyền của chuột ở chuột xenografted với các khối u của con người: có thể vận chuyển bởi exosomes // PLoS One. 2014. V. 9 (7): e101629.

Xem thêm:
1) B. G. Dias, K. J. Ressler. Kinh nghiệm khứu giác của cha mẹ của các thế hệ sau // Nature Neuroscience. 2014. V. 17. P. 89-96.
2) M. Rassoulzadegan, F. Cuzin. Việc tạo ra một cơ quan: điều khiển phát triển RNA qua trung gian ở chuột // Organogenesis. 2010. V. 6. P. 33-36.
3) E. Steele, R. Lindley, R. Blandin. "Nếu Lamarck đúng thì sao?" M: Hòa bình. 2002
4) A. Markov "Từ Lamarck đến Darwin … và quay lại" // "Sinh thái và cuộc sống" №1, 2008.

Tatyana Romanovskaya


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: