Что собой представляет ген с биохимической и генетической точки зрения

Генетика — наука о наследственности и изменениях. Ее основоположником был Г.И. Мендель (1824-1886), работавший в Брно в Старобрненском монастыре. Он доказал, что наследственность имеет материальную основу, т.е. каждое качество и черта будущего существа закладываются уже в зародышевой массе яйца и спермы частицами, которые были переданы по наследству. В деле разведения породистых животных знание основ генетики просто необходимо. Сейчас уже невозможно себе представить содержание породистых животных, выведение новых пород без этих знаний. У нас нет возможности дать полный разбор генетической проблемы, эта тема очень обширна, поэтому здесь представлен лишь краткий обзор вопросов, с которыми приходится сталкиваться при разведении породистых кошек.

Как установил Г.Мендель, каждый признак, присущий родителям и потомству, обусловлен факторами, передаваемыми потомству генами. Установлено, что ген, с биохимической точки зрения, представляет собой часть молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты и кодирует один из передающихся по наследству признаков. Различные формы одного и того же гена называют аллелями. Например, у кошки ген, характеризующий длину волосяного покрова, включает аллель (признак), определяющий короткую шерсть, и аллель, характерную для породы длинношерстной. В соответствии с фенотипом каждого индивида аллели (признаки) могут быть доминантными (их обозначают прописными буквами — А, Б и т.д.) и рецессивными (их обозначают строчными буквами — а, б и т.д.). Подавляющее большинство генов заложено в ядрах клеток.

Носители генов являются хромосомы. Под микроскопом после соответствующей окраски видно, что хромосомы в метафазе клеточного деления представляют собой линейные образования, количество которых для каждого признака стабильно. Основу хромосомы составляют парные образования, среди которых имеется набор особой пары, так называемые хромосомы пола, или гоносомы, обозначаемые у млекопитающих через Х и У. Остальные хромосомы в парах идентичны и называются аутосомами. Кошка имеет 38 хромосом, причем хромосомы пола кота и кошки отличаются друг от друга: один из полов (кошки) имеет одинаковые половые хромосомы — ХХ, другой (кот) — разные — Х и У. При созревании половых клеток происходит их редуцированное деление, называемое мейозом, при котором количество хромосом в половых клетках уменьшается вдвое, а при оплодотворении в новом зародыше — зиготе — число хромосом удваивается. В зиготе наблюдается обычное количество, причем половина происходит ототца, половина — от матери. Все яйцеклетки содержат хромосому Х, половина — У, следовательно, пол определяется отцом. То место в хромосоме, где находится ген, получило название локуса.

В результате спаривания черного кота с красной кошкой потомство получается такое:

50% красных котов, 50% черепаховых кошек

В результате спаривания красного кота с черной кошкой потомство получается такое:

50% черных котов, 50% черепаховых кошек

В результате спаривания черного кота с черепаховой кошкой потомство получается такое:

25% черепаховых кошек, 25% черных кошек, 25% черных котов, 25% красных котов

В результате спаривания красного кота с черепаховой кошкой потомство получается такое:

25% красных кошек, 25% черепаховых кошек, 25% черных котов, 25% красных котов

У диплоидных организмов, к которым относятся и кошки, отдельные гены представлены парой признаков (аллелей), наделенных парой одинаковых хромосом. Сходство признаков (аллелей) обеих пар называют гомозиготным и обозначают как АА, аа. Если эти признаки неодинаковы, такое свойство называют гетерозиготным и обозначают как Аа. Совокупность генов ядра или индивида называют генотипом. Внешним выражением генотипа является фенотип, то есть совокупность признаков, характеризующих определенный индивид. Признаки, которые фенотипически проявляются и как гомозиготные, и как гетерозиготные, называются доминантными. Аллели (признаки), которые фенотипически проявляются только в состоянии гомозиготном, называются рецессивными.

В фенотипе гены подразделяются на:

1) гены наиболее активные, так называемые майоргены, или олигогены, которые при образовании признаков практически не подвержены влиянию внешней среды (именно они-то и положены в основу теории Г.Менделя). У кошек, например, такие гены определяют окрас и пит волосяного покрова;

2) гены менее активные, так называемые миноргены, или полигены, определяющие возникновение признаков под влиянием внешней среды. У кошек эти гены определяют плодовитость, молочность, рост.

Некоторые признаки обусловлены взаимодействием больше генов неаллельных (локусов), что называется интеракцией (взаимодействием) генов. Превосходство или подчиненность генов при таком взаимодействии носит название эпистаза и гипостаза. У кошек взаимодействие гена А определяет окрас шерсти агути — aguti (однотонный), а генов Та, Т и tb — окрас, типа абиссинская, тигровая, мраморная.

Перенос генетической информации происходит в соответствии с определенными закономерностями, главные из которых названы по имени ученых, установивших их, — законы Менделя и Моргана. Генерация родителей обозначается буквой Р (от латинского слова patentes — родители), а индивиды-производители спариваются по правилам гомозиготных признаков.

Потомство, получаемое путем скрещивания индивидов парентальной генерации, обозначается как филиальное (сыновнее) поколение F1 (от латинского слова filius — сын). Спаривание индивидов F1 поколений между собой дает генерацию F2 и т.п.

Закон Менделя можно кратко сформулировать следующим образом: Закономерности однородности F1 поколения, расщепления и идентичности при взаимообратных скрещиваниях.

При спаривании раздельных гомозиготных индивидов родительского набора первое (сыновнее поколение) образуется всегда без изменений (униформное). Потомство, полученное при спаривании индивидов F1 поколений между собой, расщепляется и генотипически, и фенотипически в определенных соотношениях, которые различны в зависимости от того, каково различие признаков у спариваемых индивидов.

При спаривании гомозиготов результаты одинаковы, если соответствующий признак имеется у отца или матери. Например, при спаривании гомозиготных белых и черных кошек можно получить белое потомство, если спаривать белую кошку с черным котом или черную кошку с белым котом.

Закон чистоты признаков

При спаривании индивидов с доминантными аллелями и индивидов с рецессивными признаками эти аллели не смешиваются, но рецессивные признаки остаются неизменными, хотя в гетерозиготном состоянии могут проявиться. Но как только они попадают в гомозиготное состояние, они снова проявляются в фенотипе.

Например, при спаривании кошки мраморного окраса с гомозиготным котом тигрового окраса все потомство получит тигровый окрас, так как признаки тигрового окраса являются доминантным признаком. При взаимном спаривании этих индивидов тигрового окраса F1 поколения между собой получим несколько экземпляров мраморного окраса, как и при спаривании матери мраморного окраса с сыном тигрового окраса. При втором типе спаривания, называемом испытательным (тестаментным), соотношение тигровых и мраморных индивидуумов будет 1:1.

Закон свободного комбинирования признаков

Если родители отличаются двумя или несколькими парами признаков, эти индивидуальные пары признаков передаются по наследству независимо друг от друга, то есть аллели генов отца и матери комбинируются свободно, без какой-либо закономерности. Морган дополнил данную закономерность: законы вступают в силу в том случае, если каждая пара признаков содержится на своей хромосоме. Такая зависимость дает возможность для большого количества комбинаций у потомства.

У кошек, с генетической точки зрения, особенно важны следующие признаки: тип, размер (длина), рост, окрас волосяного покрова. Все эти качества обусловлены генами, взаимодействие которых происходит по закону Менделя.

Чтобы пользоваться единой генетической терминологией, в 1968 г. разработаны Стандарты генетической номенклатуры для домашних кошек (СГНДК), где приведены обозначения для генов, определяющих окрас волосяного покрова, тип кошки и некоторые другие признаки. В 1971 г. В них внес дополнения Робинсон. В такой редакции эти стандарты представлены на нашем сайте.

Отдельные признаки характеризуются следующим: ген а — нон агути (non aguti) — влияет на единый окрас волосяного покрова без вкраплений или примесей. Этот ген является стойким по отношению к генам Тa, Т и tb.

Ген А — агути(aguti) определяет неравномерность пигментации шерсти, то есть в окрасе волосяного покрова наблюдаются темные и светлые участки. В некоторых случаях темный окрас заметен только на конце волосков. Данный ген взаимодействует с генами Та, Т и tb.

Ген b определяет окрас у кошек однотонной окраски, коричневый или шоколадный; у сиамских кошек — коричневый или шоколадный цвет.

Ген cch — серебристый; определяет у домашних кошек серебристый окрас шерсти, у чистопородных кошек в комбинации с другими генами определяет также дымчатый, шиншилла и камея.

Ген cb — определяет окрас на определенных местах, т.н. бирманский («бармский») окрас, типичный для бирманских кошек — голова, конечности и хвост темнее, чем окрас тела.

Ген cs — сиамский окрас, определяет т.н. акромеланический окрас — окрас определенных термальных участков тела, типичный для сиамских кошек.

Ген с — признак альбиносности, определяет белый окрас. Настоящие альбиносы отличаются не только белым окрасом шерсти, но и красным цветом глаз.

Ген d — признак разреженного голубого окраса, определяет фенотипичное проявление темного серо-голубого цвета, характерного, например, для британской голубой кошки, для картузской и русской голубой кошек. Этот ген определяет также разреженно-черные цвета у голубовато-полосатых и голубовато-черепаховых кошек. У кошек красного окраса этот ген определяет появление кремового оттенка в окрасе. У сиамских кошек ген d определяет голубой окрас.

Ген h — признак безволосого покрова, определяет бедность волосяного покрова на коже, которая бывает почти лысой, толстой и покрыта шерстью (очесами) только в местах кожных сгибов.

Ген 1 — типичен для персидских длинношерстных кошек, определяет образование длинного и тонкого волосяного покрова с густым подшерстком.

Ген М — типичен для мэнских бесхвостых кошек (Великобритания), определяет отсутствие хвоста у мэнских кошек, отличающихся характерным строением задней части тела.

Ген О — признак оранжевого (красного окраса), локализованного в хромосоме пола Х; этот тип окраса зависит от пола особи. Интенсивность оранжево-рыжего окраса весьма разнообразна и определяется также другими генами. Если ген О имеется в обеих хромосомах у кошки-самки, то появляется окрас красный (оранжевый); когда же ген О присутствует только в одной хромосоме Х, образуется черепаховый окрас. Если его нет ни в одной из хромосом Х, образуется черный окрас. У котов присутствие гена О в хромосоме Х вызывает красноватый окрас, при его отсутствии черный. Так как у котов обычно одна хромосома Х, а другая Y, у них не бывает черепахового окраса. Такой редкий окрас может иногда появиться и у кота, но такие индивиды считаются по экстерьеру промежуточными (интерсексы), у них лишь одна хромосома Х (2n = 39 XXY); они бесплодны.

Гены r, re, rg, ro определяют волнистость шерсти у различных пород кошек рекс. Эти гены индивидуально специфичны: при взаимном скрещивании отдельных племен этих кошек рекс не появляется промежуточный тип кошки «рексового» волнистого, с очесами волосяного покрова. Величина этих пятен определяется другими генами. У чистопородных кошек этот ген дает белую окраску у кошек с двухцветным окрасом (биколор) и у кошек с белесо-черепаховым окрасом (трехцветная окраска).

Ген Т(а) — абиссинский окрас, определяет абиссинский окрас кошки, при котором на отдельных волосках встречаются светлые и темные участки, а кончик волоска темный, что типично для меланжевой окраски. Среди чистопородных особей такой окрас встречается у абиссинских и сомалийских кошек.

Ген Т — тигровый окрас, определяет характерный окрас шерсти — полосатый: в виде полос, расположенных вертикально от спины до брюшной полости. Эти полосы темнее основного тона, иногда черные или темно-красные (у красных тигровых видов). Данный ген является гипостатичным по отношению к генам Т(а), но доминантным по отношению к гену Тb . Модифицированной формой тигрового окраса является крапинка, определяемая другими генами независимо от генов Т и tb.

Ген tb — мраморный окрас, определяет мраморный рисунок на основном тоне окраса: выступает обычно в форме неправильных меандров (см. рис. 14), которые расположены несимметрично пор обеим сторонам туловища. Окрас такого пита появляется только у гомозиготов, причем разной формы, размещается на различных участках волосяного покрова, но основной окрас не должен быть белым.

Ген w — доминантный белый окрас, определяет белый окрас шерсти у кошек неальбиносов. При комбинации доминантного белого окраса с голубыми глазами у некоторых кошек наблюдаются нарушения состояния здоровья (глухота, стерильность котов и т.п.), что обусловлено, очевидно, генами, взаимосвязанными с генами, в которых белый окрас и голубоглазость являются доминирующим признаком.

Ген Wh — признак волнистости шерсти, определяет волнистую шерсть у кошек.

Группировка отдельных аллелей (признаков), определяющих тип и окрас шерсти, создает генотипы пород кошек, которые проявляются в их фенотипе — иными словами, в действительности существующем типе и окрасе шерсти. В качестве примера можно привести несколько случайно выбранных пород чистопородных кошек, генотип которых отражает наследственность типа и окраса шерсти; аналогичным образом это можно определить и у любых других пород. При описании генотипов необходимо помнить, что некоторые стабильные доминантные признаки (напр., LL — нормальная длина шерсти, АА — агутный окрас и т.д.) в генотипах не упоминаются, когда очевидно, что они отсутствуют.

Белая европейская короткошерстная кошка, картузская кошка W-

Сиамская кошка с лиловыми отметинами aadd

Персидская красно-белая кошка(биколор) c(s)c(s)bbdd

Персидская дымчатая кошка llO-S-

Персидская голубовато-кремовая кошка llaac(ch)c(ch)

Коричневая мраморная европейская короткошерстная кошка t(b)t(b)

При содержании чистопородных кошек знание генетики необходимо для разведения редких по экстерьеру индивидов или для выведения новых пород. Надо постоянно помнить о законах генетики и для спаривания отбирать особи среди отдельных пород с учетом соответствующего окраса, чтобы получить индивид, отвечающий стандарту. Знание основных законов генетики позволяет специалистам точно определить, является ли тот или иной индивид (в зависимости от окраса шерсти) действительно потомком определенной родительской пары, и избежать различного рода подлогов.

На нашем сайте нет возможности подробно описать все типы спаривания и генетических комбинаций, но для контроля специалистам предлагаются следующие таблицы окраса индивидов при спаривании чистопородных кошек. Там, где имеется больше возможностей (например, при спаривании кошек черепахового окраса с красными и черными котами), при малом количестве котят отмечают и некоторые случайные явления: наличие одноцветности в окрасе у всех котят в помете, если они одного пола.

Ген — это участок молекулы ДНК, необходимый и достаточный для синтеза белка. Ген отвечает за какой-то признак, например цвет глаз. Цвет глаз определяется белком меланином, следовательно в гене закодирована признак о синтезе белка. Это касается всех генов, они кодируют белки. Наш организм преимущественно из них (белков) и построен: мышцы, кровь, каналы мембран клеток, волосы, ногти, кожа итд.

Итак, с генетической точки зрения ген — участок ДНК, а с биохимической — ген — последовательность триплетов (нуклеотидов ДНК), который перекодируется в виде аминокислот. Аминокислота — это наименьшая составляющая белка. Нуклеотид — наименьшая составная ДНК.

Пора готовиться к ЗНО!

• Биология
• Химия
• История Украины
• Украинский язык

Набираем последние группы «Интенсив»

Лучшие курсы для подготовки к ЗНО в Киеве!
Начало занятий 16 февраля.

himlife.pp.ua

Профессор С. И. АЛИХАНЯН

Для развития науки в последние десятиле­тия характерно, что наиболее перспективные открытия и направления рождаются, как пра­вило, на стыках разных наук.

Важные события происходят на наших гла­зах на стыке биологии с химией. Результаты совместных исследований биологов и химиков в области генетики — науки, изучающей про­блемы наследственности и изменчивости орга­низмов,— уже приносят пользу человечеству и обещают дать еще больше в недалеком буду­щем.

Долгое время генетика была чисто эмпири­ческой, описательной областью знания. Внача­ле она установила некоторые закономерности в изменчивости и передаче признаков по на­следству. Затем начались поиски причин этих закономерностей на уровне клетки, путем цитологических исследований. Еще больших достижений добилась генетика, используя хи­мические методы эксперимента. Биохимия поз­волила установить сущность генетических процессов, их механизм на молекулярном уровне, она еще раз подтвердила, что наслед­ственные признаки передаются не таинствен­ными носителями загадочной «жизненной си­лы», а вполне реальными, хотя и весьма сложными веществами, поддающимися вполне реальным, хотя и чрезвычайно тонким спосо­бам исследования. Химия и физика помогли расшифровать структуру сложнейших образо­ваний живой клетки и показать механизм явлений, происходящих в ней.

Значительный вклад в развитие генетики внесли и вносят советские ученые. Навсегда вошло в историю науки имя выдающегося уче­ного академика Н. И. Вавилова, открывшего закон гомологичных рядов. Автором интерес­ных работ и научных гипотез был крупный уче­ный академик Н. К. Кольцов.

Союз биологии с химией открыл не извест­ные ранее возможности направленного измене­ния свойств растений и животных.

Неполегающая пшеница, увеличений веса зе­рен гречихи, свекла с повышенным содержа­нием сахара, улучшение меха пушных зверей, гибридные куры, дающие больше яиц и мя­са,— все это уже относится к практическим достижениям генетики. Серьезные успехи до­стигнуты и в области изготовления новых ле­карственных препаратов. Ведутся важные ра­боты по изучению наследственных болезней человека.

Можно с уверенностью сказать, что мы всту­паем в эпоху, когда в области молекулярной биологии и биохимии будут сделаны важней­шие для человечества открытия.

Химическая природа генов

Начало генетики как науки связывают с именем че­хословацкого ученого Грегора Менделя, 100 лет назад установившего основные законы наследования призна­ков. Для своих опытов по скрещиванию Мендель брал различные сорта садового горошка, отличающиеся та­кими четкими признаками как красная или белая ок­раска цветов, желтая или зеленая окраска семян, ок­руглая или удлиненная их форма и т. д.

ОТКРЫТИЕ ЗАКОНОВ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Рис. 1. Справа вверху — двойной хромосомный набор клетки плодовой мушки дрозофилы. Ниже — микрофотография одной из ее хромосом. Темные полосы — места расположения генов

Скрестив перекрестным опылением два растения, одно из которых имело красные, а другое — белые цве­ты, Мендель обнаружил, что все растения в потомстве первого поколения имеют красные цветы, подобно од­ному из родителей. Но при скрещивании двух растений первого поколения между собой в их потомстве (во 2-м поколении) появились, помимо растений с красны­ми цветами, растения с белыми цветами. Другими сло­вами, произошло расщепление на исходные родитель­ские формы. Соотношение их равнялось 3:1. Чтобы объяснить полученные результаты, Мендель предполо­жил, что каждому признаку и в частности окраске цвет­ка соответствует какой-то его задаток, или детерминант, находящийся в клетках растения; в обычных клетках содержатся по два задатка каждого признака, а при образовании половых клеток—гамет — в каждую попадает только один задаток. Когда половые клетки крас­ного и белого растения сливаются вместе, образуется оплодотворенная яйцеклетка, несущая два детерминан­та окраски: один — красной, другой — белой. Однако внешне цветы растений выглядят красными, так как за­даток красной окраски доминирует над задатком белой окраски. Но задаток белой окраски сохраняет свою ин­дивидуальность и независимость, и при образовании га­мет, наряду с гаметами, несущими задаток красной окраски, возникают гаметы с задатком белой окраски А во втором поколении появляются растения с белыми цветами, происходящие от слияния двух гамет, несу­щих задатки белых цветов.

Рис. 2. Хромосомный набор соматических клеток человека. Каждая пара хромосом имеет свой размер и форму. В половых клетках число хромосом вдвое меньше, чем в соматических

Открытую закономерность Мендель сформулировал как закон расщепления признаков в потомстве, связав его с независимым и случайным расхождением задатков признаков по гаметам (закон чистоты гамет).

Расщепление признаков в потомстве Мендель на­блюдал и в тех случаях, когда для скрещивания бра­лись растения, различающиеся между собой двумя па­рами признаков, например окраской цветов и формой горошин. Во 2-м поколении появлялись растения с со­четаниями признаков родителей во все/ возможных комбинациях, причем различные пары признаков насле­довались независимо друг от друга (закон неза­висимого распределения признаков).

Применив новую методику при изучении явлений наследственности, Г. Мендель, в противоположность бо­лее ранним экспериментаторам, наблюдал за поведе­нием отдельного, четко определяемого признака, на­пример, за окраской цветов или формой семян в разных поколениях. Обязательным условием являлась гене­тическая чистота исходного материала.

Так называемые родительские пары, за признаками которых Мендель наблюдал в последующих поколениях, должны быть чистолинейными, то есть при скрещиваниях с самими собою в первом и втором поколениях они должны бы­ли повторять одну и ту же форму наблюдаемого в экс­перименте признака.

ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Рис. 3. Схема расположения двух пар генов в двух различных пара хромосом. Гены наследуются сцепленно только во втором случае когда они расположены в одной паре хромосом

Опыты Менделя и выведенные им закономерности привлекли серьезное внимание ученых-биологов лишь в 1900 году. Эти закономерности проверялись на многих видах растений и животных. И тут обнаружились новые факты, не укладывающиеся в рамки представлений о независимом распределении признаков.

Некоторые признаки одного родителя как бы тяго­тели друг к другу и чаще всего встречались у потом­ков вместе, тогда как другие распределялись независи­мо один от другого. Объяснение зтого явления было дано американскими учеными Т. Морганом и его со­трудниками А. Стертевантом, Г. Меллером и К. Брид­жесом, обосновавшими так называемую хромосом­ную теорию наследственности.

Рис. 4. Схематическое изображение кроссинговера

В клетке, точнее в ее ядре, содержатся нитевид­ные образования, наблюдаемые в микроскоп и полу­чившие название хромосом. Они представляют со­бой комплексы, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и белка, то есть нуклеопротеиды. Каждый вид животных и растений имеет свое постоянное число хро­мосом, причем в обычных клетках содержится двойной набор хромосом (каждая хромосома имеет соответству­ющую ей парную хромосому), а в половых клетках — одинарный набор хромосом. Так, если в обычных клет­ках плодовой мушки дрозофилы 8 хромосом (рис. 1), то в половых клетках их 4, то есть в два раза меньше; если во всех клетках человека имеется по 46 хромосом (рис. 2), то в половых клетках их только 23. При слиянии половых клеток число хромосом удваивается и восстанавливается число хромосом, свойственное организму данного вида.

Эти факты натолкнули Т. Моргана на мысль, что хро­мосомы это и есть те структуры клетки, в которых расположены наследственные задатки, или гены. При образовании половых клеток, когда хромосомы попарно расходятся, расходятся и находящиеся в них гены. Напротив, при образовании половых клеток происходит объе­динение в одной клетке хромосом, а соответственно и генов двух родителей. Это позволяло объяснить и различные случаи наследования двух пар признаков Если они расположены в разных парах хромосом, то они передаются из поколения в поколение независимо (рис. 3, верхняя схема), как это наблюдалось в опытах Менделя. А если они находятся в одной паре хромо­сом, то передаются вместе, то есть оказываются «сцепленными» между собой (рис. 3, нижняя схема). Замечательно, что число таких сцепленных генов, устанавливаемое на основании генетических исследований, и число хромосом, определяемое при микроскопическом изучении клеток, в точности совпадают между собой.

Так цитология, наука о строении клетки и клеточных структур, пришла на помощь генетике в объяснении ма­териальной природы гена.

Рис. 5. Хромосомный набор саламандры. Из клеток г двойным набором хромосом образуются половые клетки с одинарным набором хромосом

Всегда ли гены, расположенные в одной хромосо­ме, наследуются вместе? Оказалось, что не всегда. В некоторых случаях две хромосомы одной пары до того, как разойтись в половые клетки, обмениваются гомологичными (то есть ответственными за сходные признаки) участками при помощи процесса, известного под названием кроссинговера.

Схема кроссинговера показана на рис. 4. Как вид­но на микрофотографии (рис. 6), между двумя хромо­сомами образовался перекрест. В дальнейшем, при рас­хождении хромосом, в месте перекреста хромосомы разрываются, в результате чего они обмениваются гомологичными участками.

Гены, находящиеся в одной хромосоме, оказываются в разных хромосомах одной пары, т. е. они отделяются друг от друга. В результате в хромосомах образуются новые комбинации. Этот процесс называют в научной литературе рекомбина­цией генов.

Чем ближе один к другому расположены гены в хромосоме, тем меньше вероятность их расхождения, и на­оборот, чем они дальше, тем больше шансов, что меж­ду ними произойдет кроссинговер.

Принцип кроссинговера положен в основу построения так называемых генетических карт хромосом, на которых указано положе­ние одних генов относительно других и расстояние между ними. Ныне такие генетические карты составле­ны для многих живых систем.

ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ЛИНЕИНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ГЕНОВ

Рис. 6. Микрофотография пары гомологичных хромосом саламандры, на которой виден перекрест между двумя нитями

Правильность генетической карты нетрудно прове­рить с помощью цитологических исследований. В лабо­ратории удается получать хромосомы, у которых либо на конце, либо в середине не хватает небольшого уча­стка.

Если в клетке окажется такая хромосома с не­хваткой, а парная ей хромосома будет иметь нормаль­ную структуру, то при соединении двух хромосом по длине на участке, соответствующем нехватке, нормаль­ная хромосома образует петлю.Зная, какой из генов расположен на участке, где произошла нехватка, мож­но предсказать, в каком месте хромосомы образуется петля (рис. 7). Во многих случаях такие «предсказания» действительно реализуются, и при наблюдении в микро­скоп обнаруживается петля именно в предсказанном месте.

Таким методом ученые удостоверились в пра­вильности составленных ими генетических карт для дро­зофилы, что послужило полным подтверждением пра­вильности концепции о линейном расположении генов в хромосоме.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОЙ НАУКИ — МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Рис. 7. Отрезок одной из хромосом слюнных желез дрозофилы. Отчетливо видно, что при соединении двух хромосом В ОДНОЙ из них образуется петля — из-за отсутствия ряда генов в другой

К 40-м годам нашего столетия четко определилось понятие о гене как об элементарной единице наслед­ственности. К этому времени ген рассматривали как единицу изменчивости, считая, что он изменяется как единое целое; как единицу рекомбинации, считая, что кроссинговер может происходить только между раз­личными генами; и как единицу функции, ибо он, как целое, определяет развитие признака. Носителями ге­нов, как указывалось выше, считали хромосомы.

Современная генетика внесла в эти представления существенные изменения и перевела их на язык фи­зико-химических понятий. Новый этап в развитии пред­ставлений о гене неразрывно связан с бурным разви­тием биохимии, применением новых, химических мето­дов исследования в биологии и преобразованием ее из описательной в точную науку. Возникли новые раз­делы биологической науки — молекулярная био­логия, и, в приложении к генетике,— молекуляр­ная генетика, которая позволила перевести на мо­лекулярный уровень генетические представления.

С точки зрения молекулярной генетики генетические функции хромосом определяются не нуклеопротеидом и не белком, как считали раньше, а только дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК).

В развитии молекулярной генетики большую роль сыграло использование бактерий и вирусов как объектов генетических и биохимических исследований. Бактерии и фаги (бактериальные вирусы) — очень удобные объек­ты для экспериментов, так как их хромосомы органи­зованы значительно проще, чем хромосомы высших ор­ганизмов. Каждая хромосома бактерии представляет со­бой по существу несколько гигантских молекул ДНК. Если раньше считали, что материальные носители на­следственности — это хромосомы, в состав которых вхо­дят и белки, и нуклеиновые кислоты, образующие нуклеопротеидные комплексы, то именно из генетических исследований на бактериях пришли первые эксперимен­тальные доказательства того, что носителем генетиче­ской информации является ДНК, которая и определяет наследственную структуру организма.

ПЕРВЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ГЕНА

В 1928 году .появилось сообщение о непонятном на первый взгляд явлении. В организм мыши были вве­дены одновременно две разновидности одного и того же микроба. Каждая из них сама то себе заболевания не вызывала (одна — потому, что была невирулентной, а другая — вирулентная форма — была убита нагрева­нием). Но, введенные вместе, обе формы микроба вы­зывали заболевание, и животное погибало. Можно было предположить, что в организме мыши, в результате какого-то процесса, происходило превращение одной разновидности микроба в другую, вирулентную форму. Проводивший эти исследования английский бактериолог Ф. Гриффитс не мог объяснить причину этого явления. Только через 16 лет трое ученых — О. Т. Айвери. С. М. Мак-Леод и М. Мак-Карти постазили перед собой цель — выяснить, какое из веществ клетки микробов обладает способностью изменить наследственные свойства других клеток. Им удалось разгадать загадку. Испы­тав несколько препаратов, они пришли к выводу, что такими свойствами обладают только препараты, содер­жащие дезоксирибонуклеиновую кислоту. Очистив их от примесей белка, они окончательно убедились, что наследственное превращение (трансформацию) микро­бов из одной формы в другую можно осуществить не только в теле мыши, но в пробирке, если добавить в нее убитые нагреванием микробы одного типа и не­большое количество препарата ДНК из микробов дру­гого типа.

За первыми опытами последовало много других, после которых уже не оставалось сомнений, что путем добавления посторонние ДНК можно осуществлять нас­ледственные изменения в клетках бактерий. Это пока­зывает, что именно ДНК является носителем нас­ледственной информации в клетках живых орга­низмов.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ДНК

Рис. 8. Объемная модель молекулы ДНК. Спирально закрученные нити — это остатки сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Между спиралями в виде заштрихованных шаров изображены молекулы азотистых оснований, то есть тех самых «букв», при помощи которых в ДНК записана наследственная информация

Важнейшая составная часть молекулы ДНК — азо­тистые основания два пуриновых (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (гимин и цитозин), Каждая молекула состоит из большого числе -пуриновых и пиримидиновых оснований, которые скреплены между собой при по­мощи остатков сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Химический анализ показал, что сумма пуриновых остатков в ДНК равна сумме пиримидиновых остатков. При этом число гуанинов равно числу цитози­нов, а число аденинов равно числу гуанинов. Таким об­разом гуанин с цитозином, а аденин с тимином состав­ляют как бы пары. Оказалось также, что соотношение аденин-тиминовых и гуанин-цитозиновых пар у ДНК различных биологических объектов различно и что именно этим и отличаются один от другого разные ви­ды ДНК.

Исходя из этих данных, а также из данных рентге­ноструктурного-анализа, Д. Уотсон и Ф. Крик в 1953 году разработали стройную модель структуры ДНК.

Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей. Азотистые основания, скрепленные при помощи остатков дезоксирибозы и фосфорной кис­лоты, составляют их звенья (рис. 8). Уотсон и Крик предположили, что основания одной нити ДНК при помощи одного вида химической связи (водород­ной) сцеплены одна с другой в пары, причем аденин всегда связан с тимином, а гуанин — с цитозином. Те­перь становится понятным, почему число аденинов всегда равно числу тиминов, а число гуанинов — числу цитозинов. Эти парные основания получили название комплементарных оснований, а нити ДНК — комплементарных нитей. Прошедшее десятилетие при­несло огромное количество фактов, подтвердивших это открытие.

Уотсон и Крик предположили также, что при деле­нии клеток удвоение числа хромосом происходит бла­годаря удвоению молекул ДНК. Этот процесс самоудвоения ДНК, согласно Уотсону и Крику, происходит пу­тем разрыва водородных связей между парными осно­ваниями. В результате этого процесса молекула ДНК разделяется на две нити. Каждая нить притягивает из окружающей среды «предшественников» (комплемен­тарные основания, связанные с остатками дезоксири­бозы и фосфорной кислоты) и воссоздает новую комплементарную нить. Таким образом две разделивши­еся исходные нити превращаются в две новые — дочер­ние — молекулы ДНК, идентичные исходной молекуле ДНК. Акт самоудвоения двух дочерних молекул приво­дит к образованию четырех молекул и т. д. (рис. 9).

ПОНЯТИЕ О ГЕНЕТИЧЕСКОМ КОДЕ

Все биохимические процессы в клетке осуществля­ются с участием специальных белков—ферментов. Каждый фермент ответствен только за одну (или не­сколько определенных) химических реакций. Такая из­бирательность ферментов обусловлена их строением. Все белки, в том числе и ферменты, построены из ами­нокислот. Всего известно около 20 природных аминокис­лот. В составе каждого фермента они встречаются в разном соотношении. Количество аминокислот в фер­ментах колеблется от нескольких десятков до ста (и даже более). Однако ферменты различаются не только по соотношению входящих в них .аминокислотных остатков, но и по порядку их расположения.

Приведем аминокислотный состав трех гипотети­ческих белков:

1. Валин — серин — глицин — пролин
2. Валин — серин — метионин — лейцин
3. Валин — метионин — серин — лейцин

Белки 1 и 2 различаются по аминокислотному со­ставу, тогда как белки 2 и 3 различаются только поряд­ком расположения аминокислот. Но по биологической функции белки 2 и 3 можно отличить один от другого, так же, как белки 1 и 2.

Ученые установили, что состав и последователь­ность аминокислотных остатков в белке — ферменте определяется составом и последовательностью нукле­отидов на соответствующем участке молекулы ДНК. Вопрос о том, какое количество нуклеотидов опреде­ляет включение данной аминокислоты в состав белка, был решен в основном математически. Ход рассужде ний был таков: если бы каждый нуклеотид ДНК опреде­лял включение одной аминокислоты, то ДНК содержала бы информацию о включении только 4 аминокислот, так как число возможных комбинаций из 4-х нуклеотидов по одному составит 4. Между тем требуется опреде­лить включение 20 аминокислот. Если бы включение в белок одной аминокислоты определяли два нуклеоти­да, то 4-х нуклеотидов ДНК хватило бы на 16 аминокис­лот (число возможных комбинаций из 4 по 2 составит 4X4= 16), то есть опять меньше требуемых 20. Число возможных комбинаций из 4-х по 3 составит 64 (4X4X4=64). Такого количества комбинаций с из­бытком хватит для всех 20-ти аминокислот. Поэтому ре­шили, что кодирующая единица в молекуле ДНК долж­на состоять не менее чем из трех нуклеотидов. Эти «тройки» нуклеотидов были названы триплетами. Число триплетов на данном участке молекулы ДНК определяет число и природу аминокислот в данном белке, а. следовательно, и его биологическую актив­ность и специфичность.

Эта гипотеза была подтверждена тем, что, как ока­залось, достаточно изменить хотя бы одно из оснований в молекуле ДНК, чтобы вызвать наследственное измене­ние, мутацию. Такие изменения наблюдаются при воздействии на клетку ионизирующего излучения и раз­личных химических веществ. Например, азотистая кис­лота вызывает дезаминирование трех азотистых осно­ваний — цитозина, аденина и гуанина, которые превра­щаются в результате этого в урацил, гипоксантин и ксантин. В свою очередь, такой процесс приводит к об­разованию необычных пар оснований и как следствие этого — к изменению их последовательности на неболь­шом отрезке ДНК. Сходные изменения в последова­тельности нуклеотидов ДНК могут вызвать и аналоги природных оснований — 5-бромурацил и 2,6-диаминопу­рин, что легко удается проследить на изолированной ДНК. Но самое замечательное состоит в том, что изме­нения в ДНК приводят к однозначным изменениям в белке, причем замена одного нуклеотида обусловливает замену только одной аминокислоты.

Многочисленные опыты по мутациям, проведенные на вирусе табачной мозаики, показали, что каждому изменению нуклеиновой кислоты соответствует строго определенное изменение в белке.

СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ГЕНЕ

Рис, 9. Схема удвоения (репликации) молекулы ДНК. Левая схема. Процесс репликации. Видно, как каждая нить наращивает комплементарную себе новую нить. Правая схема. Видно, как из одной молекулы ДНК образуются две дочерние молекулы, которые, в свою очередь реплицируясь, дают четыре молекулы ДНК

Итак, мутация — это изменение последовательности оснований в ДНК. А что же такое ген с точки зрения современных представлений?

Генетики и биохимики пришли к общему выводу, согласно которому геном является участок молекулы ДНК, ответственный за синтез молекулы белка. Число нуклеотидов, образующих один ген, зависит от числа аминокислот, составляющих молекулу соответствующе­го белка. Поскольку молекулы белка включают обычно от нескольких десятков до нескольких сотен аминокис­лот, соответствующие гены насчитывают от сотни до тысячи нуклеотидов.

Современные представления о структуре гена по­зволяют ясно представить себе механизм мутаций, а также объяснить внутригенный кроссинговер.

В этом — одно из принципиальных отличий от преж­них представлений, рассматривавших ген как элементар­ную единицу мутации, рекомбинации и функции.

Таким образом, данные генетических исследований и биохимических экспериментов сомкнулись, и сегодня едва ли найдется ученый, у которого возникнет сомне­ние в существовании генов. Ныне мысли ученых на­правлены на решение других вопросов, связанных с определением последовательности основании внутри гена, ибо, как показали новейшие исследования, ответствен­ным за первичную структуру белка, за его аминокис­лотный состав, за порядок аминокислот в молекуле белка является последовательность нуклеотидов в пре­делах одного гена. Вероятнее всего, особым порядком расположения нуклеотидов и отличаются гены один от другого.

В свете сегодняшних данных о структуре гена со­вершенно очевидно, что даже в одном гене может произойти огромное число разнообразных наследствен­ных изменений, а тем более огромно их разнообразие в хромосомах, состоящих из сотен и тысяч генов.

Современные представления о структуре гена ста­вят по-новому решение таких важных вопросов био­логии, как выяснение механизмов эволюции, направ­ленное изменение природы животных и растений.

Рис, 9. Схема удвоения (репликации) молекулы ДНК. Левая схема. Процесс репликации. Видно, как каждая нить наращивает комплемен­тарную себе новую нить. Правая схема. Видно, как из одной моле­кулы ДНК образуются две дочерние молекулы, которые, в свою оче­редь реплицируясь, дают четыре молекулы ДНК

По­этому совершенно неправомочны разговоры о том, что теория гена и мутации, сводящая изменчивость к одной лишь комбинаторике, ограничивает эволюцию и лишает человека возможности активной переделки природы.

В заключение коснемся последнего, очень важного вопроса — о самовоспроизведении гена. Исследователи утверждали, что каждый дочьрний ген, образовавший­ся в новой клетке, есть точная копия исходного гена. Каков же механизм самовоспроизведения гена? Ответа на этот вопрос генетики и цитологи очень долго не да­вали. И, пожалуй, это было семой слабой стороной тео­рии. Блестящие достижения современной биохимии, и в особенности открытие механизма ауторепродукц и и (самовоспроизведения) молекулы ДНК, решили и эту проблему. Ибо ауторепродукция гена и есть ауто­репродукция молекулы ДНК.

Теперь, когда мы знаем, что такое ген, как различ­ные мутации воздействуют на ДНК, когда приблизилось время окончательной расшифровки генетического кода — мы вплотную подошли к разрешению пробле­мы направленных мутаций, направленного изменения организма с получением нужных человеку свойств, т. е. управления наследственностью и изменчивостью орга­низмов.

Глава 2 ЧТО ТАКОЕ ГЕН? БИОХИМИЧЕСКАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ

Методами формальной генетики было установлено, что ген-это дискретный фактор наследственности, часть хро­мосомы, и что он переходит от родителя к потомку. Ре­шающую роль в выяснении природы гена сыграло пред­ставление о том, что ген отличается от признака, который он определяет. Различное влияние мутаций на фенотип объясняют, исходя из того, что каждая мутация препятствует синтезу определенного белка. Физическая же природа генетического материала, ответственного за образование данного белка, служила предметом много­численных споров. Когда же наконец физическая природа была установлена, она показалась неправдоподобной.

Значительным толчком к изучению природы гена по­служил обзор Шрёдингера (Schrodinger), опубликованный в 1945 г.; в этом обзоре рассматриваются свойства гене­тического материала с точки зрения физика: «Невероятно маленькая группа атомов, слишком маленькая, чтобы к ней можно было применить законы статистики, играет доминирующую роль в очень упорядоченных и регламен­тированных событиях, происходящих в живом организ­ме. Ген слишком мал. чтобы передаваемая им способ­ность к упорядоченному и регламентированному поведе­нию происходила на основании законов физики». Далее Шрёдингер развил ранее высказанные соображения Дель­брюка (Delbriick) о том, что, исходя из одних только за­конов физики, вряд ли можно объяснить свойства генети­ческого материала, особенно его стабильность в ряду бесчисленных поколений. Никто не сомневался, что ген подчиняется тем законам физики, которые уже известны, но при этом думали, что изучение его свойств может привести к открытию новых законов физики. Именно эта перспектива и привела многих физиков в биологию.

Шрёдингер описал свойства генов таким образом, что с очень небольшими изменениями обрисованная им кар­тина вполне соответствует современным представлениям: «Мы можем представить структуру гена в виде гигант­

ской молекулы, способной только к локальному измене­нию, которое сводится к перестройке атомов и приводит к образованию изомерной молекулы. Перестройка [мута­ция] может повреждать только небольшую часть гена, но при этом возможно множество различных перестроек». И хотя Шредингер представлял себе ген как апериодиче­ский кристалл, поскольку тогда казалось, что это един­ственная физическая структура, способная удовлетворять требованиям, предъявляемым к генетическому материалу, раннее представление о гене как о гигантской молекуле объясняло, каким образом ген может быть протяженной частью хромосомы.

Теперь, конечно, мы знаем, что гены состоят из ДНК и что их структура сохраняется и воспроизводится не изолированно от остальной клетки, а зависит от фермен­тов, влияющих на точность воспроизведения и выпол­няющих необходимые каталитические функции. Все эти процессы подчиняются уже известным законам физики и химии, и не было никакой необходимости искать какие- то новые законы.

Несмотря на то что ранние генетические исследования были сконцентрированы на высших организмах, первый случай переноса генетической информации обнаружили у бактерий. Позднее тот же самый подход использовали и применительно к высшим организмам. Оказалось, что у двух основных групп живых организмов-прокариот и эукариот-генетический материал находится в одной и той же форме.

Прокариоты (бактерии) характеризуются отсутствием ядра (или каких-либо других компартментов, таких, как митохондрии, хлоропласты и т.д.). Бактериальная клетка

живые шероховатые бактерии

ДНК выделяют и добавляют к шероховатым бактериям

В тканях мертвой мыши обнаружены живые гладкие бактерии

Образуются гладкие бактерии

Рис. 2.1. Трансформирующий фактор-это ДНК. Ни инактивированные гладкие бактерии, ни живые шероховатые (му­танты) не патогенны для мыши. Однако, если мышь заразить их смесью, она погибнет и из нее могут быть выделены живые гладкие бактерии.

Трансформацию убитых шероховатых бактерий в вирулентные, гладкие бактерии можно произвести in vitro, если добавить ДНК, выделенную из гладких бактерий.

представляет собой единый компартмент, в котором нель­зя различить хромосомы, хотя можно увидеть ну- клеотид, содержащий генетический материал. Эукариоти- ческие клетки имеют ядерную мембрану, которая отграни­чивает от цитоплазмы генетический материал. В про­цессе деления клетки мембрана исчезает и появляются хромосомы. Кроме ядра в эукариотической клетке есть и другие дискретные компартменты.

К эукариотам относят и так называемых микробных эукариот, представляющих собой одноклеточные орга­низмы, а также многоклеточных растений и животных. Считалось, что основа наследственности у всех эукариот должна быть одинаковой; что же касалось бактерий, то тут возникали некоторые сомнения.

Явление трансформации впервые обнаружил в 1928 г. Гриффит (Griffith) при изучении пневмококковой инфек­ции мышей. Вирулентность (инфекционность) этой бакте­рии определяется капсульным полисахаридом, располо­женным на поверхности клеточной стенки. Вирулентные бактерии образуют гладкие колонии, обозначаемые бук­вой S (от англ. smooth-«гладкий»). Несколько «типов» пневмококков несут различные капсульные полисаха­риды. Любой из этих типов может дать мутантов, не спо­собных к образованию капсульных полисахаридов. Такие бактерии растут в виде шероховатых колоний, обозна­чаемых буквой R (от англ. rough — шероховатый). Эти пневмококки авирулентны, т. е. не убивают мыши при ин­фицировании (поскольку из-за отсутствия капсульного полисахарида они фагоцитируются в организме животно­го). Но если мышей инфицируют бактериями R вместе с инактивированными нагреванием бактериями S (ко­торые сами по себе не патогенны для мыши), животное погибает от пневмококковой инфекции. Погибшие жи­вотные содержат вирулентные бактерии S (рис. 2.1).

Мертвые бактерии S принадлежали к типу I. Живые бактерии R были производными бактерий типа II. Виру­лентные бактерии, обнаруженные после смешанной ин­фекции, были типа IS. Это означало, что какой-то компо­нент мертвых бактерий S типа I может трансформировать живых бактерий R так, что они начинают синтезировать капсульный полисахарид типа I.

Как только этот результат удалось воспроизвести в бесклеточной системе, где вместо живых бактерий S были использованы их экстракты, стало возможным

очистить и определить активный компонент, названный трансформирующим фактором. В 1944 г. Эйвери (Avery) и его коллеги в своих классических исследованиях показа­ли, что трансформирующий фактор-это дезоксирибону- клеиновая кислота (ДНК). Новое доказательство транс­формирующей активности ДНК было получено несколь­ко позже, когда удалось очистить фермент дезоксирибо- нуклеазу, разрушающую ДНК. Было показано, что добавление этого фермента необратимо инактивирует трансформирующий фактор. Возможная роль примесей белка в препаратах ДНК была исключена, поскольку до­бавление фермента трипсина (разрушающего все белки) не влияло на трансформацию.

О том, насколько неожиданным было это открытие, можно судить хотя бы по тому, что тогда еще не знали даже, что ДНК входит в состав пневмококков, хотя уже в течение нескольких десятилетий было известно, что ДНК является основным компонентом эукариотической хромосомы. Описывая методику выделения ДНК, Эйвери отмечает: «Когда концентрация спирта достигает при­мерно 9/10 объема, отделяется волокнистое вещество, ко­торое при помешивании наматывается на стеклянную па­лочку, как нитка на катушку, тогда как другие примеси остаются в растворе в виде гранулированного осадка. Во­локнистое вещество затем снова растворяют и процедуру повторяют несколько раз. Оказалось, что это вещество обладает высокой реакционной способностью и при эле­ментарном анализе совпадает по свойствам с очищенной ДНК. (Кто бы мог догадаться!) Насколько мне известно, этот тип нуклеиновой кислоты пока не был обнаружен у пневмококков, хотя она была найдена у других бакте­рий».

Значение полученного результата точно сформулиро­вано в оригинальной статье, посвященной этому исследо­ванию. «Индуцирующее вещество по своим химическим и физическим свойствам является высокополимерной и вязкой формой ДНК. С другой стороны, капсульное ве­щество типа III, синтез которого вызывается этим транс­формирующим агентом, состоит главным образом из по­лисахарида, не содержащего азота. Таким образом, ясно, что индуцирующее вещество и вещество образую­щееся различны по химическим свойствам и специфичны по биологическому действию. Оба вещества необходимы для определения специфичности клетки, частью которой

они являются». Различие между генетическим материа­лом и продуктами его экспрессии было установлено в ре­зультате последующих исследований.

Нежелание признать за ДНК роль генетического ма­териала привело к слишком натянутым доводам против очевидного вывода, сделанного Эйвери и потом подтвер­жденного дальнейшими исследованиями. Что касается самой трансформации, общий характер вывода подтвер­ждался тем, что с помощью ДНК удалось передать спо­собность к образованию и других типов капсульных по­лисахаридов, характерных для пневмококков. Кроме того, была обнаружена трансформация и у других бакте­рий, причем по многим отличающимся признакам. Одна­ко эти данные истолковывали как довод в пользу участия ДНК в образовании полисахаридов у бактерий, а не как доказательство ее генетической роли вообще. И на самом деле, как мы теперь знаем, гены, переносимые в первых опытах по трансформации, отвечали за образование фер­мента, катализирующего одну из стадий синтеза капсу- лярного полисахарида (UDPG-дегидрогеназы). Следую­щий признак, переданный с помощью трансформации, был совершенно отличен от первого-это была устойчи­вость к пенициллину.

После того как трансформация у бактерий была дока­зана, необходимо было перейти к следующему шагу-до­казать генетическую роль ДНК в совершенно иной систе­ме. Фаг Т2-это вирус, инфицирующий бактерию Е. coli. Когда фаги добавляют к бактериальной культуре, они адсорбируются на наружной поверхности, вводят опреде­ленное вещество в бактерию и затем, примерно через 20 мин, бактерия разрывается (лизирует), высвобождая боль­шое число фаговых потомков.

В 1952 г. Херши и Чейз (Hershey, Chase) инфицировали бактерий Е. coli фагом Т2, у которого радиоактивным изотопом метили либо ДНК-компоненты (32Р), либо бел­ковые компоненты (35S). Фаги смешивали с бактериями и неадсорбированные частицы удаляли методом центри­фугирования. Затем инфицированные бактерии подверга­ли сильному встряхиванию с помощью блендера и разде­ляли полученный препарат путем центрифугирования на две фракции. Одна фракция содержала пустые фаговые оболочки, отделившиеся от клеточной стенки бактерий, другая-сами бактерии.

На рис. 2.2 показано, что метка 35S была связана с оболочками фага. Большая же часть метки 32Р оказа­лась внутри инфицированных бактерий. В потомстве фа­га, образованном после инфицирования, было найдено примерно 30% исходной метки 32Р. А от исходного бел­ка, меченного 35S, в фаговом потомстве было обнаруже­но всего лишь менее 1%. Этот эксперимент прямо по­казывает, что родительская фаговая ДНК проникает в бактерию и затем становится частью фагового потом­ства. Именно так должно происходить наследование ге­нетического материала.

Вопрос о том, можно ли вирусы отнести к «живым» организмам, довольно долго служил предметом споров. Классический пример с фагом Т2 (напомним, что фа­ги-это бактериальные вирусы), показывает, что, инфици­ровав бактерию, вирус способен использовать «аппа­раты» клетки-хозяина для воспроизведения самого себя во многих копиях. Генетический материал фагов ведет се­

бя аналогично клеточному геному: его признаки точно воспроизводятся и подчиняются тем же правилам, что делает возможным линейное картирование мутаций. Та­ким образом, на примере фага Т2 еще раз подтвержден общий вывод о том, что генетическим материалом слу­жит ДНК.

Необходимо обратить внимание на следующее об­стоятельство. Хотя эти эксперименты и доказательны в отношении генетической роли ДНК, в них не так полно, как в опытах по трансформации, исключается возмож­ность загрязнения использованного препарата ДНК бел­ковыми примесями. В опытах по трансформации, улуч­шая очистку ДНК, можно свести содержание примеси до ничтожно малой величины. При инфицировании фагом в бактериальную клетку вместе с ДНК всегда вносится небольшое количество белка, хотя в потомстве обнару­живается только меченая ДНК. Однако со времени работ Эйвери точка зрения биологов уже изменилась и резуль­таты Херши и Чейз были сразу восприняты как доказа­тельство генетической роли ДНК.

Стало несомненным, что у бактерий и бактериофагов генетическим материалом служит ДНК. Но как обстоит дело у высших организмов? В течение долгого времени все доказательства носили чисто умозрительный харак­тер. ДНК присутствует в хромосомах; ее количество по­стоянно во всех соматических клетках, и только половина этого количества обнаруживается в половых клетках. Все это точно соответствует ожидаемому поведению генети­ческого материала, но не может служить доказатель­ством.

В обсуждении своих результатов Эйвери сделал заме­чание более широкого плана, касающееся не только его непосредственных результатов. «Если мы правы,» — писал он,-«это означает, что нуклеиновые кислоты являются не только структурно важными, но и функционально ак­тивными веществами, определяющими биохимическое поведение клеток. Поэтому, используя известные химиче­ские соединения, можно индуцировать предсказуемые на­следственные изменения в клетках». Он имел в виду си­стему бактериальной трансформации, но сходные резуль­таты теперь получены и в случае клеток высших организ­мов.

Первые доказательства были получены, когда удалось показать, что хромосомы можно выделить из одной клетки и добавить к другим, просто смешав их с клетка­ми: с очень низкой частотой в реципиентных клетках на­чинали проявляться признаки, внесенные хромосомами донора. Затем появилась возможность выполнить эти эксперименты с очищенной ДНК. А теперь, увеличивая чистоту трансформирующего препарата, можно фактиче­ски добавлять к клеткам чистые гены, т. е. ДНК, содержа­щую только тот ген, который был утрачен этими клетка­ми. Затем можно получить трансформантов, содержащих и экспрессирующих данный ген. Такую процедуру можно использовать применительно к любому гену, при условии, что можно тестировать активность соответствующего фермента. Пример одной из стандартных систем изобра­жен на рис. 2.3.

Хотя по причинам исторического характера описы­ваемые нами опыты на эукариотических клетках были на­званы трансфекцией, они в точности соответствуют транс­формации у бактерий. В этих экспериментах было не только установлено, что ДНК является у эукариот гене­тическим материалом, но и была доказана возможность переноса генов между разными видами с сохранением их

Для заражения бактерий используют фаги с ДНК, меченной 32Р( ), и белком, меченным 35S(#)

Фаговые оболочки содержат 80% метки 35S

Рис. 2.2. Генетическим материалом фага Т2 является ДНК.

Когда ДНК фага пометили изотопом 32Р, а бе­лок-изотопом 35S и такими фагами заразили бак­терий, оказалось, что метка 32Р включилась в бак­терии и обнаруживалась в потомстве фага, тогда как 35S у потомков фага не обнаружили.

функциональных свойств. Сначала такие опыты можно было проводить только с индивидуальными клетками, адаптированными к росту в культуре. Однако теперь гены вводят в яйцеклетки мыши методом микроинъекции и потом их обнаруживают в виде стабильного компонен­та генома взрослой мыши. (Трансфекция обсуждается в гл. 38.)

Существуют некоторые вирусы, у которых в качестве генетического материала используется рибонуклеиновая кислота (РНК). Хотя по своему химическому строению РНК несколько отличается от ДНК, она тем не менее выполняет у этих вирусов ту же роль. В качестве основ­ного генетического материала клетки всегда используют ДНК; что же касается вирусов, то одни из них исполь­зуют ДНК, другие же-РНК. Во всех случаях генетиче­ским материалом являются нуклеиновые кислоты.

Одной из причин скептицизма по отношению к воз­можной генетической функции ДНК было ошибочное представление о ее структуре. Было известно, что ДНК содержит четыре типа нуклеотидов, однако полагали, что она построена из регулярно повторяющихся тетрануклео- тидных единиц. К тридцатым годам Касперсон (Casperson) показал, что ДНК состоит из очень больших молекул, намного больших, чем молекулы белков. Одна­ко монотонность ее структуры казалась препятствием, не

позволяющим выполнять какую-либо генетическую функ­цию, для которой предполагается, конечно, разнообразие форм.

Но затем в работах Чаргаффа (Chargaff) было показа­но, что четыре основания, найденные в ДНК, находятся в варьирующих количествах. Эти количества различны у разных организмов и характерны для каждого вида. На основе этих наблюдений была выдвинута концепция, со­гласно которой генетическая информация заложена в по­следовательности оснований ДНК, и эта последователь­ность каким-то образом определяет, или кодирует, последовательность аминокислот в белке. К пятидесятым годам эта концепция генетической информации получила всеобщее признание. Основная задача теперь заключа­лась в том, чтобы построить модель ДНК, объясняю­щую, каким образом в последовательности ДНК может быть записана последовательность белка.

Нуклеиновые кислоты состоят из последовательности химически связанных нуклеотидов. Каждый нуклеотид со­держит гетероциклическое кольцо из атомов углерода и азота (азотистое основание), пятиуглеродное сахарное кольцо (пентозу) и фосфатную группу.

В нуклеиновых кислотах обнаружено два типа пентоз. Именно характером пентозы, входящей в состав моле­кулы, и различаются ДНК и РНК. От характера пентозы зависит и название двух типов нуклеиновых кислот. В ДНК пентозой является 2-дезоксирибоза, а в РНК-это

Рис. 2.3. С помощью ДНК можно произвести трансфекцию эу- кариотических клеток.

Метод напоминает бактериальную трансформацию. К эукариотическим клеткам, растущим в культуре, добавляют ДНК. У клеток, включивших эту ДНК, проявляются новые фенотипические признаки. А. Эукариотиче-

ские клетки, утратившие ТК-ген, не образуют фермента тимидинкиназы и погибают в отсутствие тимина. б. При добавлении к клеткам препара­та ДНК, содержащего ТК-гены, некоторые клетки получают эти гены и начинают расти, образуя в результате колонии.

рибоза. Различие заключается в отсутствии или наличии гидроксильной группы во втором положении сахарного кольца (рис. 2.4).

Как показано на рисунке, азотистые основания делят­ся на два типа: пиримидиновые и пуриновые основания, называемые для краткости пиримидины и пурины. Пири- мидины состоят из шестичленного кольца, а у пуринов по два конденсированных кольца: одно-пятичленное и второе-шестичленное. Каждая нуклеиновая кислота синтезируется из оснований только четырех типов. Одни и те же самые пурины (аденин и гуанин) входят в состав и ДНК и РНК. Два пиримидина, входящие в состав ДНК,-это цитозин и тимин, а в РНК вместо тимина на­ходится урацил. Тимин отличается от урацила только на­личием метальной группы в пятом положении пиримиди- нового кольца. Основания обычно обозначают их на­чальными буквами. Так, ДНК содержит A, G, С, Т, а РНК содержит A, G, С, U. (В некоторых случаях от­дельные основания могут быть модифицированы после того, как включатся в нуклеиновую кислоту. Это явление описано для ДНК в гл. 30, а для РНК-в гл. 7.)

Азотистые основания соединены с пентозным коль­цом гликозидной связью между С-1 пентозного кольца и N-3 пиримидина или N-9 пурина. Чтобы избежать пу­таницы в нумерации атомов азотистых оснований и Саха­ров, положения атомов углерода пентозы пишут со штрихом (‘).

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь, остов которой состоит из перемежающихся остатков са­хара и фосфата. Как показано на рис. 2.5, атом в 5′-поло- жении одного пентозного кольца соединен с атомом в З’-положении следующего пентозного кольца через фос­фатную группу. Принято говорить, что сахарофосфатный остов состоит из (5′-3′)-связей. Концевой нуклеотид на одном конце цепи имеет свободную 5′-группу, на другом конце-свободную З’-группу. Последовательности нуклеи­новых кислот принято писать именно в таком направле­нии: от 5′-конца к З’-концу.

На рис. 2.5 показано, что азотистые основания «тор­чат» из сахарофосфатного остова. Заметим, что фос­фатные группы заряжены отрицательно и нуждаются в нейтрализации-ионами металлов и(или) положительно заряженными белками.

Рис. 2.4. В состав нуклеиновых кислот входят азотистые осно­вания (пурины и пиримидины), сахар (дезоксирибоза или рибоза) и фосфатный остаток.

Показана нумерация положения атомов в молекулах оснований и Саха­ров. Молекулу, состоящую из азотистого основания и сахара, называют нуклеозидом, а молекулу, состоящую из основания, сахара и фосфатного остатка,-нуклеотидом. Буква «d» обозначает дезоксирибозу, а если ее нет, значит сахарный остаток представлен рибазой. Отсутствие буквы «d» соответствует наличию 2′-ОН-группы. Для обозначения нуклеиновых кислот приняты следующие обозначения: