Darwins Gemmule überwand die Weismann-Barriere • Tatyana Romanovskaya • Science News zu den "Elementen" • Genetik, Evolution

Darwin Gemmules überwand die Weismann-Barriere

Abb. 1. Schematische Darstellungen der Darwins Pangenesis-Theorie (A) und der Weismann-Barriere-Theorie (B). Bild aus dem Buch von E. Steele, R. Lindley, R. Blandand "Was ist, wenn Lamarck recht hat?", Mit kleinen Änderungen

Italienische Wissenschaftler entschieden sich zu testen, ob die erworbenen Eigenschaften durch direkte Übertragung von spezifischen RNA-Molekülen von somatischen auf Keimzellen übertragen werden können. Um dies zu erreichen, wurden Mäuse subkutan menschlichen Melanomzellen mit einem integrierten grün fluoreszierenden Proteingen transplantiert. Die Erwartungen waren berechtigt: RNA-Moleküle eines fremden Gens, die sich in transplantierten Zellen angesammelt haben, wurden nicht nur im Blut von Versuchstieren gefunden, sondern auch in ihren Spermatozoen. Damit wurde zum ersten Mal klar gezeigt, dass – wie Charles Darwin in seiner Theorie der Gemmul und Pangenesis und im Gegensatz zur Theorie der sogenannten Weismann-Schranke vorgeschlagen hat – genetische Information zumindest in Form von RNA von somatischen Zellen auf Geschlechtszellen übertragen werden kann.

Gegenwärtig wird das Vorhandensein von zwei Informationsebenen erkannt, auf deren Grundlage alle lebenden Zellen und vielzelligen Organismen arbeiten.Die erste Ebene ist genetische Information (Text von vier Arten von Nukleinsäurebasen, die Aminosäuresequenzen in zellulären Proteinen kodieren und in Chromosomen gespeichert sind). Veränderungen (Mutationen) treten in den Nukleotidsequenzen von Chromosomen mit einer bestimmten Häufigkeit auf. Wenn diese Mutationen in den Chromosomen von Keimzellen vorkommen, dann gibt es Variationen (Allele) von Genen, die nach den klassischen Gesetzen von Mendel vererbt werden.

Die zweite Ebene ist epigenetische Information (eine umfangreiche Reihe von Mechanismen, die die Bedingungen, den Ort und die Zeit des Lesens von genetischer Information bestimmen). Basierend auf epigenetischer Information wird eine Genregulation durchgeführt, und Unterschiede in dieser Regulation beeinflussen die phänotypischen Manifestationen der gleichen Gene in verschiedenen Individuen ernsthaft. Um zu verstehen, wie breit die Möglichkeiten der epigenetischen Information sind, genügt es, daran zu erinnern, dass alle verschiedenen Zellen unseres Körpers, von Hautzellen bis zu Neuronen und Erythrozyten, die gleichen Chromosomen mit den gleichen Genen enthalten und sich nur in epigenetischen Variationen unterscheiden.

Veränderungen der epigenetischen Information (Epimulation) treten viel häufiger auf als bei genetischer Information.Epimutationen basieren auf spezifischen chemischen Modifikationen der tatsächlichen DNA (Methylierung / Demethylierung von Cytosinen) oder DNA-verwandten Histonproteinen, und spezielle Enzyme und Regulatoren, einschließlich sowohl Proteine ​​als auch spezielle regulatorische RNA, arbeiten in der Zelle, um diese chemischen Modifikationen zu bewirken. Im Grunde geht es bei der epigenetischen Variation um die sogenannte Modifikationsvariabilität, die physiologisch bedingte adaptive Reaktionen des Körpers auf Umwelteinflüsse impliziert.

Da das Dogma der synthetischen Evolutionstheorie postuliert wurde, wird die Modifikationsvariabilität nicht vererbt, sondern nur auf somatische Zellen, Gewebe und Organe beschränkt. Dieses Dogma stammt von Augusta Weisman, der die darwinistische Theorie der Pangesis ablehnte (nach der spezielle winzige Partikel, Gemmules, in den Zellen des Körpers gebildet werden, die Informationen über die Veränderungen, die die Zellen während des Lebens erfahren, übertragen und sie mit dem Blutfluss zu den Keimzellen weiterleiten; Abb. 1, oben) und bestand auf der Abwesenheit von Kommunikationskanälen zwischen somatischen und Keimzellen (der sogenannten "Weismann-Barriere"; Abb. 1).1) und infolgedessen die grundsätzliche Unmöglichkeit, erworbene Merkmale zu erben.

Dennoch wurde seit der Mitte des 20. Jahrhunderts festgestellt, dass einige Epimutationen in Pflanzen dazu neigen, in einer langen Reihe von Generationen übertragen zu werden (für einen dieser Fälle siehe. Der Mechanismus der nicht-mendelschen Vererbung bleibt mysteriös, Elements, 17. Oktober 2007). Dieses Phänomen wird als epigenetische transgenerationale Vererbung bezeichnet. Oft kann die epigenetische Natur der Vererbung durch den nicht-mendelschen Charakter der Aufspaltung des analysierten Merkmals in den Nachkommen identifiziert werden: Die Träger des neuen Merkmals erscheinen in der Nachkommenschaft mehr als sie nach dem klassischen Schema der genetischen Vererbung sein sollten. Ein weiteres Zeichen dafür, dass es sich um Epimutationen und nicht um echte Mutationen handelt, ist, dass die phänotypische Variation, die durch spezifische Bedingungen induziert wird, in mehreren Generationen allmählich "ausbleicht", wenn die induzierenden Bedingungen in der Zukunft nicht unterstützt werden. Darüber hinaus haben sich in den letzten zehn Jahren Daten über die Existenz epigenetischer Transgenerationsvererbung bei Tieren, einschließlich Säugetieren, angesammelt (siehe z. B.Die nachhaltige Existenz der Bevölkerung wird durch nicht-genetisches "Generationengedächtnis", "Elements", 3. Juli 2007 sichergestellt, und die ererbten Informationen werden nicht nur in der DNA erfasst, "Elements", 1. Juni 2006).

Die vielleicht beeindruckendste dieser Studien ist der in der Zeitschrift Parental Olfactory Experience veröffentlichte Artikel beeinflusst das Verhalten. Nature Neurologie Anfang 2014. In dieser Studie entwickelten die Autoren einen Vermeidungsreflex in Bezug auf den Geruch von Acetophenon (eine natürliche aromatische Verbindung, die in dem Vogelkirscharoma vorhanden ist) in männlichen Mäusen, wobei elektrische Stromentladungen gleichzeitig mit Acetophenon in die Versuchskammer und dann Nachkommen von gekreuzten trainierten Männchen eingeleitet werden mit untrainierten Frauen. Das Schöne am Design des Experiments war, dass das Rezeptorprotein für Acetophenon und das dafür kodierende Gen gut bekannt waren, so dass die Ergebnisse auf allen Ebenen aufgezeichnet werden konnten, von der Genexpression bis zur Anatomie des Riechepithels und Veränderungen im Verhalten der Tiere.

Eine sorgfältige Analyse ergab, dass bei Mäusen in den Nachkommen zuerst die Anzahl der Zellen mit einem Rezeptor für diese Verbindung im olfaktorischen Epithel erhöht war.Zum anderen waren die Tiere anfälliger für den entsprechenden Geruch: Die Tiere zeigten eine ausgeprägtere Angstreaktion auf das Gefahrensignal (lautes Geräusch) in Gegenwart von Acetophenon (nicht aber Propanol, das von anderen sensitiven Zellen mit anderen Rezeptoren erkannt wird). Es stellte sich auch heraus, dass im Sperma von trainierten Mäusen und deren Nachkommen der Grad der Methylierung des Gens reduziert war, der tatsächlich den Rezeptor für Acetophenon kodiert. Der Effekt wurde in zwei Generationen von Nachkommen aufrechterhalten, die das entsprechende Training nicht bestanden hatten.

Die Autoren schließen die Möglichkeit aus, dass die Epimutation, die das Acetophenonrezeptorgen in den Spermatozoen der Versuchstiere beeinflusst, zufällig erfolgt ist, da identische Veränderungen des Phänotyps der Nachkommen auf allen Ebenen während der wiederholten Reproduktion des Experiments gut reproduziert wurden. Ähnliche Ergebnisse wurden erhalten, wenn Frauen in der elterlichen Generation trainiert wurden. Mit dieser Versuchsanordnung wurden neugeborene Mäuse sofort auf eine untrainierte Adoptivmutter übertragen, so dass der soziale Faktor ausgeschlossen wurde.

Bis heute scheinen die vielversprechendsten Mittel für den Transfer und die Induktion von Epimutationen regulatorische RNA zu sein, die durch die Fähigkeit gekennzeichnet ist, den Zustand des Chromatins und die Expression von Genen auf bestimmten Chromosomenregionen mit hoher Spezifität zu wechseln. Im Jahr 2010 veröffentlichte eine Gruppe von Autoren einen zusammenfassenden Überblick über eine Reihe von Experimenten, die sie zur Induktion der epigenetischen Generationenvererbung an Mäusen durchgeführt hatten, wo die Schlüsselrolle der RNA bei der Realisierung dieser Vererbung überzeugend bewiesen wurde (M. Rassoulzadegan, F. Cuzin, 2010). : RNA-vermittelte Entwicklungskontrollen in Mäusen).

Es gibt auch Kandidaten für die Rolle von Vehikeln für den Transfer zwischen regulatorischen RNA-Zellen: Dies sind extrazelluläre Vesikel – Membranvesikel, die von Zellen aller Körpergewebe produziert werden und in der Lage sind, ihren Inhalt auf andere Zellen einschließlich anderer Gewebe zu übertragen. (Für Details zu extrazellulären Vesikeln, insbesondere auf Exosomen, siehe auch die Nachrichten. Die Körperzellen kommunizieren mit Nachrichten verpackt in Mikrovesikel, Elements, 28. Dezember 2010, und der Artikel Exosomen ist die Körperflasche Mail.) Es sollte angemerkt werden, dass die Produktion dieser Vesikel ist der Prozess ist aktiv, gewebespezifisch und abhängig vom physiologischen Zustand der Zellen.Insbesondere nimmt ihre Produktion dramatisch zu, wenn Zellen Stress ausgesetzt sind, und unter diesen Bedingungen ändern sich auch deren Inhalte, einschließlich verschiedener Proteine, Matrix und regulatorische RNA. In der Membran solcher Vesikel können Zeiger "Lieferadressen" in Form von gewebespezifischen Rezeptoren vorhanden sein, die die nicht zufällige Natur dieser Form der interzellulären Kommunikation sicherstellen.

Dies sind alles Argumente und Hypothesen, aber in der Praxis ist bisher noch niemand zu prüfen, ob RNA-Moleküle tatsächlich von somatischen Zellen an die Geschlechtszellen abgegeben werden können, und wenn ja, ob Exosomen daran teilnehmen. Eine Studie, die von italienischen Wissenschaftlern durchgeführt wurde und darauf abzielte, diese Lücke zu schließen. Das Versuchsschema der Autoren ist äußerst einfach, es ist in Abb. 2

Abb. 2 Das Schema des Experiments über den Transfer von Informationen von somatischen Zellen zu Spermatozoen. Erklärungen sind im Text angegeben. Zahlen aus dem Artikel in Diskussion PLoS Eins

Das Gen der grünen Melanomlinie A-375 wurde unter Verwendung eines viralen Vektors in ein Gen des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) eingeführt, das ursprünglich nicht im menschlichen Genom oder im Mausgenom vorkommt, dh es ist leicht von endogenen Produkten zu unterscheiden.Der Erfolg der Operation wurde durch eine Reihe von Tests bestätigt, die zeigten, dass das Gen tatsächlich in die DNA eingeführt wurde, dass dieses Gen Matrix-RNA akkumuliert und dass Protein auf dieser Matrix-RNA akkumuliert wird (was dazu führt, dass die Zellen grün leuchten, wie auf dem Foto zu sehen). Die Exosomen, die von den modifizierten Zellen in das Kulturmedium produziert und freigesetzt wurden, wurden ebenfalls gesammelt und gereinigt. Führte die gleichen Tests durch. Es stellte sich heraus, dass die DNA des GFP-Gens nicht in den Exosomen vorhanden ist, sondern RNA und das GFP-Protein selbst vorhanden sind. Schließlich wurden modifizierte humane Melanomzellen subkutan in Mäuse injiziert (immundefizient, so dass keine Abstoßung von menschlichen Zellen erfolgt). Die Zelllinie wurde aufgrund der Tatsache ausgewählt, dass diese Zellen nach vorläufigen Daten in der verwendeten Mauslinie gut überlebten und intensiv Exosomen produzierten, was die Chance erhöhte, ein positives Ergebnis zu erhalten. Die Studie umfasste 25 Tiere, von denen 15 (experimentelle Gruppe) mit modifizierten Zellen (mit GFP-Gen) und zehn weitere (Kontrollgruppe) inokuliert wurden – unmodifiziert.

Nach 45 Tagen (zu diesem Zeitpunkt hatten die transplantierten Zellen Zeit sich zu vermehren und der neu gebildete Tumor hatte ein Volumen von etwa 1 cm3a) führte eine abschließende Studie durch. Zunächst wurden Tests auf das Vorhandensein von GFP-RNA im Blut von Tieren durchgeführt (ein gemischtes Blutprodukt von 10 Tieren der Versuchsgruppe wurde verwendet). Für Analysen verwendeten Methoden der PCR und Hybridisierung von Nukleinsäuren. Das Ergebnis war positiv. Dann stellten sie sicher, dass die RNA des GFP-Gens in Exosomen gefunden wurde, die aus dem Blut der gleichen Gruppe von Versuchstieren gereinigt wurden. Und schließlich wurde die gleiche RNA in Sperma nachgewiesen. Spermien-RNA-Präparationen wurden ebenfalls aus einer gemischten Probe von 10 Tieren hergestellt und erhielten erneut ein positives Ergebnis. RNA des GFP-Gens wurde erfolgreich in einer gemischten Probe von Spermatozoen nachgewiesen, die von zwei weiteren Tieren der Versuchsgruppe erhalten wurden. Eine zusätzliche Analyse einzelner Spermien-RNA-Proben von den drei verbleibenden Tieren ergab ein negatives Ergebnis und zwei positive Ergebnisse. Parallel dazu wurden ähnliche Verfahren und Analysen für Blutproben, Exosomen und Spermatozoen von Tieren der Kontrollgruppe durchgeführt. Wie zu erwarten war, zeigte keine dieser Proben die RNA des GFP-Gens, obwohl Reaktionen auf die Anwesenheit der RNA ihrer eigenen Gene sowohl in der experimentellen als auch in der Kontrollgruppe positiv waren.

Die Autoren schlussfolgern, dass es keine unüberwindbare Barriere gibt, die den Transfer von genetischer Information zwischen somatischen und Keimzellen unmöglich machen würde, und daher könnte theoretisch der Transfer von RNA mit Exosomen als einer der Mechanismen für die transgenerationale epigenetische Vererbung funktionieren erworben durch adaptive Modifikationen von Eltern. Natürlich hat das Design des Experiments die Entstehung einer eher unnatürlichen Situation nahegelegt: Schließlich war das Gen fremd, und die Spenderzellen selbst auch, aber desto mehr sollte die Auslösung der Schutzbarriere erwartet werden, wenn sie wirklich existiert. Und es ist noch wahrscheinlicher, dass ähnliche Prozesse in der natürlichen Physiologie stattfinden können.

Wie genau erfasste Phänomen entspricht der Darwin'schen Panggenese? Darwins Idee war, dass Gemmulen, die einige Substanzen von somatischen Zellen auf Geschlechtszellen übertragen, das Vererbungsmaterial in eine Richtung ändern können, die der auf der Ebene der somatischen Gewebe entwickelten Anpassung entspricht, und somit die Realisierung einer adaptiv gerichteten Evolution begünstigen.Aber die epigenetische Vererbung, wie oben erwähnt, ist instabil und leicht reversibel, während wir, von der Evolution gesprochen, einige stabile und schwierige reversible Veränderungen meinen, die im Genotyp fixiert sind. Kann der Transfer von RNA in die Zusammensetzung der Exosomen tatsächlich zu einer gerichteten Genomveränderung führen?

Wir können davon ausgehen, dass es mehrere Arten solcher Beeinflussung gibt. Erstens verursachen regulatorische RNAs lokale Veränderungen im Chromatinstatus, die eine definitive Wirkung auf die Verteilung der Wahrscheinlichkeiten von Mutationsereignissen auf DNA in bestimmten Bereichen haben sollten. Zweitens gibt es angesichts der hohen Aktivität der Reversen Transkriptase in Spermatozoen und ihren Vorgängern die Möglichkeit, neue Retrogene während der reversen Transkription aus Matrizen-RNA oder Editiersequenzen zu gewinnen, die bereits im Genom durch den Umwandlungsmechanismus vorhanden sind (Ändern der Nukleotidsequenz im Genom durch "Betrügen" wie aber nicht identische Sequenz auf der äußeren Matrix, einschließlich der RNA-Vorlage oder ihrer DNA-Kopie). Drittens, angesichts der Daten des betrachteten Artikelswo die Übertragung eines völlig fremden Gens zwischen Zellen unterschiedlicher Art (nämlich von menschlichen Melanomzellen zu Mausgenitalzellen) unter Beteiligung von Exosomen der RNA erfolgt, kann die Rolle dieses Mechanismus beim horizontalen Gentransfer nicht ausgeschlossen werden. Hier können wir uns beispielsweise an Nematoden erinnern, bei denen Genome bakterieller Ursprungsgene irgendwie eingefügt wurden, dank denen diese Organismen sich an wirksame Parasiten auf Pflanzen anpassen konnten (siehe Bakterielle Gene helfen, Nematoden auf Pflanzen zu parasitieren, Elemente, 18.10. 2010).

Quelle: C. Cossetti, L. Lugini, L. Astrologo, I. Saggio, S. Fais, C. Spadafora. Soma-zu-Keimbahn-Übertragung von Mäusen in mit menschlichen Tumoren xenotransplantierten Mäusen: möglicher Transport durch Exosomen PLoS Eins. 2014. V. 9 (7): e101629.

Siehe auch:
1) B. G. Dias, K. J. Ressler. Elterliche Geruchserfahrung nachfolgender Generationen // Nature Neurologie. 2014 V. 17. S. 89-96.
2) M. Rassoulzadegan, F. Cuzin. Die Herstellung eines Organs: RNA-vermittelte Entwicklungskontrolle in Mäusen // Organogenese. 2010. V. 6. S. 33-36.
3) E. Steele, R. Lindley, R. Blandin. "Was, wenn Lamarck recht hat?" M: Frieden. 2002
4) A. Markov "Von Lamarck nach Darwin … und zurück" // "Ökologie und Leben" №1, 2008.

Tatjana Romanowskaja


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