Современные представления о гене

Как уже говорилось ранее, представления о природе наследственных факторов сильно менялись в ходе развития генетики. К середине 20-х годов сформировалось представление о том, что ген — это материальная частица, находящаяся в хромосоме, и способная к саморепродукции. Считалось, что гены — это мельчайшие частицы, являющиеся носителями генетической информации, единицами рекомбинации (кроссинговер никогда не наблюдался внутри гена) и мутации (ген изменяется как единое целое). Группа сцепленных генов представлялась в виде механически связанных (по принципу «бусины на нити») частиц. При этом сами гены считались неделимыми в ходе кроссинговера. Наличие аллельных форм одного гена объяснялось просто: при диком фенотипе ген присутствует, а при мутантном его просто нет (гипотеза «присутствия-отсутствия»).

Очень скоро такие представления стали подвергаться критике и меняться. Началось с того, что были получены серии мутации с очень сходным фенотипом. Например, у дрозофил появлялись мутанты с измененной формой щетинок. Однако всякий раз эти изменения были различными по форме и длине этих щетинок. Стали полагать, что изменению подвергается один ген, просто в разных своих участках, следовательно, и фенотипы разнятся. Эту гипотезу можно проверить несложным тестом, предложенным Морганом. Рецессивных мутантов надо скрестить между собой и получить гетерозиготное потомство. Если в нем дикий тип не восстановится, это будет означать, что мутации затронули разные гены. Если же дикий тип будет восстановлен, то мутации локализованы в разных частях одного гена, следовательно в гетерозиготе может синтезироваться нормальный продукт (см. урок «Взаимодействие генов», межаллельная комплементация). Таким образом, было выяснено, что у одного гена может быть много аллелей. Это поставило под вопрос правомерность гипотезы присутствия-отсутствия и пошатнуло представления о неделимости гена.

Следующим этапом в развитии представлений о гене стало то, что были отмечены случаи кроссинговера внутри гена. Это легко проследить в случае, если две различные по своему фенотипическому проявлению мутации располагаются в разных концах одного гена. Тогда можно поставить скрещивание, аналогичное тем, что ставил Морган, и убедиться, что незначительная часть (доли процента) особей будут кроссоверными. Это было проделано для гена lz** у дрозофил.

Одну из первых гипотез о физико-химической природе генов выдвинул русский биолог Николай Константинович Кольцов в 30-х годах ХХ века. Он полагал, что хромосомы — это длинные белковые тяжи с боковыми ответвлениями — генами. ДНК в то время считалась сравнительно простым органическим соединением. Ей не приписывали наследственных свойств и считали лишь структурным компонентом хромосом.

Еще до того, как стало ясно, что гены — это в действительности фрагменты нуклеиновых кислот, было выяснено, что гены влияют на синтез ферментов. Это обнаружили в своих экспериментах Джордж Бидл и Эдвард Тэйтум. Они исследовали мутации у гриба Neurospora crassa и впервые показали, что мутации прерывают метаболические пути на строго определенных стадиях. При этом аллельные мутации всегда затрагивали один и тот же этап биосинтеза. На основе этих результатов ими был сформулирован принцип «один ген — один фермент», означавший, что каждый ген контролирует синтез какого-либо фермента.

Чуть позже выяснилось, что именно ДНК, а не белки выполняет наследственную функцию в организме. Это было показано Эйвери и Маккарти на бактериях и чуть позже Херши и Чейз на бактериофагах. Тогда не существовало никаких понятий о том, как именно генетическая информация хранится в ДНК и что заставляет ее реализовываться в виде последовательностей аминокислот белков. Однако уже было ясно, что без ДНК нет наследственности, и гены состоят именно из нуклеотидов этого полимера, являясь, очевидно, фрагментом одной линейной протяженной молекулы.

Еще одно очень важное исследование вопроса о единице генетической функции, рекомбинации и мутации провел американский биолог Сэймур Бензер. Исследуя частоты рекомбинации между множественными мутантными формами бактериофага Т4, он определил, что минимальная частота рекомбинации между соседними мутациями составила 0,02%. Это означает, что с минимальной частотой соседние рекомбинационные события происходили на расстоянии нескольких нуклеотидов.

На фоне этих чисто генетических работ велись также биохимические и молекулярные исследования хромосом и собственно ДНК. Как уже писалось ранее, в 1953 году стало понятно, что клеточная ДНК представлена двумя комплементарными цепочками нуклеотидов, организованными в правильную правозакрученную спираль. Также, открытие Уотсоном и Криком принципа комплементарности нуклеотидов позволило объяснить, каким образом происходит репликация этой молекулы, а, следовательно, и удвоение наследственной информации, необходимое для образования новых клеток.

Подводя итог первой половине ХХ столетия можно сказать, что было точно известно следующее:

гены — это участки молекулы ДНК.

мутации (а следовательно, образование новых аллелей данного гена) могут происходить в любой его точке.

гомологичная рекомбинация может произойти между любыми двумя нуклеотидами в цепочке ДНК.

гены являются носителями информации о структуре белков.

Следующим этапом в изучении природы гена стал механизм его работы. Главным вопросом здесь стало то, что же из себя представляет собственно генетическая информация? Благодаря работам Бидла и Тэйтума стало ясно, что это некая инструкция к синтезу ферментов и других белков организма. Но как она записана? Каково соответствие между нуклеотидами и аминокислотами? Уже неоднократно говорилось о том, что с открытием структуры ДНК был совершен прорыв в экспериментальной биологии. Многие ученые, занимавшиеся этим вопросом, пошли дальше. В частности, в 60-х годах ХХ века Крик решил выяснить, каким образом последовательность нуклеотидов кодирует последовательность аминокислот. Идея экспериментов была сравнительно проста и могла быть реализована после того, как стало ясно, какие ферменты и клеточные структуры участвуют в процессе биосинтеза белка, и оказалось возможно проведение этого процесса in vitro, то есть в пробирке (см. урок «Биосинтез белка»). Просто брались искусственно синтезированные последовательности ДНК, состоящие из регулярных сочетаний нуклеотидов по три. Например:

АТААТААТААТААТААТ.

или просто:

GGGGGGGGGGGGGGGG.

и дальше ученые анализировали полипептидную последовательность, синтезированную на такой матрице. После чего стало понятно, какие триплеты кодируют какие аминокислоты, и была составлена таблица генетического кода. Но и на этом вопросы не прекратились.