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

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.

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

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.

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.

КРОССИНГОВЕР

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

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

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

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

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.