История генетики

Детальное изучение генетических структур природных популяций  и скорости распространения мутаций  в природе превратилось сейчас в  область биологии, активно разрабатываемую  на основе математических методов. 

Проблема дробимости гена. 

К началу 30-х  годов XX в. сложились основы теории гена. Уже первые достижения гибридологического анализа поставили проблему дискретности наследственного материала. Считалось, что ген отвечает за развитие одного признака и передается при скрещиваниях как неделимое целое. Открытие мутации и кроссинговера ( нарушения сцепления генов в результате обмена участками между хромосомами, названое так Морганом.) подтверждали неделимость генов. В результате обобщения всех данных определение гена получило следующую формулировку: ген - это элементарная единица наследственности, характеризующаяся вполне определенной функцией, мутирующая во время кроссинговера как целое. Иначе говоря, ген - единица генетической функции, мутации и кроссинговера. 

В 1928 г. в лаборатории  А.С. Серебровского в Биологическом  институте им. К.А. Тимирязева Н.П. Дубинин  начал исследовать действие рентгеновых  лучей на дрозофил и обнаружил  необычную мутацию. Образование  щетинок на теле мухи контролируется особым геном scute. Мутация гена scute, впервые обнаруженная американским генетиком Пейном (1920), не раз возникала в экспериментах, и при её появлении подавлялось развитие девяти щетинок.

Выявленная Дубининым  мутация , подавляла развитие всего  четырех щетинок.

После дальнейших экспериментов стало ясно, что ген не является неделимой генетической структурой, представляет собой область хромосомы, отдельные участки которой могут мутировать независимо друг от друга. Это явление

Серебровским  ступенчатым аллеломорфизмом. 

Одним из крупных достоинств работ по изучению ступенчатых аллеломорфов был количественный метод учета мутантов. Разработав систему, позволяющую количественно оценивать результат каждой мутации, Серебровский, Дубинин и другие авторы тогда же раскрыли явление дополнения одного мутантного гена другим. Это явление было впоследствии переоткрыто на микроорганизмах и получило название комплементации. За цикл работ по хромосомной теории наследственности и теории мутаций Дубинин был удостоен в 1966 г. Ленинской премии. 

Показав мутационную  дробимость гена, Серебровский и другие сотрудники его лаборатории, тем  не менее, долгое время не могли подтвердить  дробимость гена при помощи кроссинговера. Чтобы обнаружить разрыв гена, требовалось  проверить огромное число мух. Организовать такой эксперимент удалось только в 1938 г., когда Дубинин, Н.Н. Соколов и Г.Г. Тиняков смогли разорвать ген scute и проверить свой результат цитологически на гигантских хромосомах слюнных желез дрозофилы.  

Окончательное решение вопроса, делим ли ген не только мутационно, но и механически, было достигнуто в работах М.

Грина(1949), Э. Льюиса(1951) и Г. Понтекорво (1952). Было окончательно установлено, что считать ген  неделимым неправильно. Далее требовалось  разработать новую теорию гена, определив  конкретные физические структуры, ответственные за реализацию различных генетических функций. Решить этот вопрос, на многоклеточных организмах, было невозможно. На помощь пришли микроорганизмы. 

Переход к генетическим исследованиям на микроорганизмах  явился крупнейшим шагом вперед в изучении генетических проблем. С развитием экспериментов на микроорганизмах генетика перешла на молекулярный уровень исследований. 

Молекулярная  генетика. 

Тонкая структура. Функциональная структура генов. Генетический код. 

Одно из наиболее существенных достижений молекулярной генетике заключается в установлении минимальных размеров участка гена, передающихся при кроссинговере ( в молекулярной генетики вместо термина "кроссинговера» принят термин "рекомбинация", который все еще начинают использовать и в генетике высших существ) , подвергающихся мутации и осуществляющих одну функцию. Оценки этих величин были получены в 50-е годы С. Бензером. 

Среди различных  внутригенных мутаций Бензер выделил  два класса: точечные мутации (мутации  минимальной протяженности) и делеции (мутации, занимающие достаточно широкую область гена). Установив факт существования точечных мутаций, Бензер задался целью определить минимальную длину участка ДНК, передаваемую при рекомбинации. Оказалось, что эта величина составляет не более нескольких нуклеотидов. Бензер назвал эту величину реконом. 

Следующим этапом было установление минимальной длины  участка, изменения которого достаточно для возникновении мутации (мутона). По мнению

Бензера, эта  величина равна нескольким нуклеотидам. Однако в дальнейших тщательных определениями было выявлено, что длина одного мутона не превышает размер одного нуклеотида. 

Следующим важным этапом в изучении генетического  материала было подразделение всех генов на два типа: регуляторный гены, дающие информа-цию о строении регуляторных белков и структурныегены, кодирующие строение остальных полилипипедных цепей. Эта идея и экспериментальное доказательство было разработано исследователями Ф. Жакобом и Ж. Моно (1961). 

Выяснение основной функции гена как хранителя информации о строении определенной полипептидной цепи поставило перед молекулярной генетикой вопрос : каким образом осуществляется перенос информации от генетических структур (ДНК) к морфологическим структурам, другими словами, каким образом записана генетическая информация и как она реализуется в клетке. 

Согласно модели Уотсона - Крика, генетическую информацию в ДНК несет последовательность расположения оснований. Таким образом, в ДНК заключены четыре элемента генетической информации. В тоже время в белках было обнаружено 20 основных аминокислот.

Необходимо было выяснить, как язык четырехбуквенной записи в ДНК может быть переведен  на язык двадцати буквенной записи в беках. Решающий вклад в разработку этого механизма был внесен Г. Гамовым(1954,1957). Он предположил, что для кодирования одной аминокислоты. используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК ( нуклеотидом называют соединение, состоящее из сахара {дизоксорибоза}, фосфата и основания и образующее элементарный мономер ДНК). Эта элементарная единица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодона. 

Предположение Гамова о трехнуклеотидном составе  кодона выглядело логически, доказать его экспериментально долгое время  не удавалось. Только в конце 1961 г., когда многим стало казаться, что этот вопрос не будут решен, была опубликована работа кембриджской группой исследователей ( Ф.

Крик, Л. Барнет, С. Берннер и Р. Ваттс - Тобин), выяснившие тип кода и установивших его общую  природу. Важным в их работе было то, что они с самого начала строго поставили вопрос о роли начальной , стартовой точки в гене. Они доказали, что в каждом гене есть строго фиксированная начальная точка, с которой фермент, синтезирующий РНК, начинает " прочтение " гена, причем читает его в одном направлении и непрерывно. Авторы так же доказали. что размер кодона действительно равен трем нуклеотидам и что наследственная информация, записанная в ДНК, читается от начальной точки гена "без запятых и промежутков". 

Репликация ДНК 

Уотсона и Крика предложили гипотезу строения ДНК, согласно которой, последовательность оснований в одной нити ДНК однозначно задавала последовательность оснований другой нити. Далее они предположили, что две нити ДНК раскручиваются и на каждой из них в соответствии с правилами комплиментарности синтезируются дочерни нити. Таким образом, каждая новая молекула ДНК должна содержать одну родительскую и одну дочернюю.

Этот тип

(полуконсервативный) репликации к концу 50 годов  был экспериментально обосновали  в опытах на бактериях. Опыты на высших организмах также косвенно говорили о правильности этого вывода. В это же время А. Корнберг выделил фермент, который, как он считал, осуществляет синтез белка. Для работы фермента было необходимо наличие затворочной ДНК и всех четырех предшественников ДНК (дезоксорибонукеозидтрифосфатов). В последующем десятилетии биохимики получили огромное количество фактов о характере протекании репликационного процесса. Было выделено и охарактеризовано несколько типов ферментов, осуществляющих реплекцию (ДНК-полимераз). 

Генетический  контроль синтеза белков. 

Важнейшим достижением  молекулярной генетики было выяснение  цепи реакций, обеспечивающих передачу информации от ДНК к белку. Цитохимически  было доказано, что ДНК локализована главным образом в ядре клеток. Синтез белков, как показали исследования начала 50-х годов. происходит в основном в цитоплазме. Сразу возник вопрос: каким образом ядро может осуществлять контроль за синтезом белка в цитоплазме? 

В 30-х годах XX в. было установлено. что в клетках наряду с ДНК содержится второй класс нуклеиновых кислот -рибонуклеиновые кислоты (РНК).

В отличие от ДНК в РНК вместо сахара дизоксирибозы  содержится также пяти- членный углевод - рибоза, а одно из пиримидиновых  оснований - Тимин - заменено на урацил.  

Кроме того было показано, что РНК , как правило, не двуспиральная, а однонитчата. 

В (1942) Браше и  Кедровский (1951), а затем в обширных опытах было показано, что интенсивный  синтез белка происходит в тех  участках, где сосредоточено много  РНК . Было предположено, что именно РНК переносит информацию с ДНК на белок, но только в 1961 году было воплощено в четкую гипотезу Ф. Жакобом и Ж. Моно. Они назвали такую РНК - "информационной

РНК". . 

Основное затруднение  в понимании механизма передачи генетической информации с ДНК к белку заключалось в том, что прямой синтез белка на РНК был невозможен из-за чисто стериотических не соотношений: молекулы аминокислот не совпадают с размерами кодонов. Ф. Крик в 1954 г. предложил так называемую адаптерную гипотезу, согласно которой функции перевода языка нуклеиновых кислот на язык белков должны выполнять адаптерные РНК. Это предположение подтвердилось. Было выделено более 20 низкомолекулярных РНК, которые сначала были названы растворимыми, а затем переименованы в транспортные РНК

(тРНК). 

Мутации и генетический код. 

Следует упомянуть  об установлении двух моментов, связанных  с генетическим кодом. Первое - врожденность кода, означающая ,что одна аминокислота может кодироваться несколькими  кодонами, т.е. одной и той же аминокислоте нередко соответствует несколько кодонов. Это немаловажное обстоятельство позволяет иметь разным организмам несколько различающиеся

"диалекты". Действительно, перекодировка сообщений,  записанных языком нуклеотидов  в ДНК в язык аминокислотных  последовательностей в белках, происходит в рибосомах с участием РНК. Отсутствие тРНК, узнающей некоторые из кодонов одной и той же аминокислоты, приведет к тому, что эти кодоны не будут узнаны и останутся бессмысленными в этой клетке. По-видимому, этот механизм действует при размножении ряда вирусов, активно размножающихся в одних видах организмов и не способных к размножению в других. 

Второй интересный момент - универсальность генетического  кода.

Анализ природы  различных мутаций привел к выводу, что все точечные мутации можно разделить на три основных класса:

1. Миссенс-мутации  - мутации, при которых изменяется  смысл кодона; в этом случае  против него встает неверная  аминокислота, и свойства синтезируемого  белка меняются.

2. Нонсенс-мутации  - мутации , при которых возникает нонсенс-кодон, не кодирующий никаких аминокислот, и на нем обрывается чтение иРНК в рибосомах.

3. Мутации со  сдвигом чтения. Эти мутации , изучаемые Криком, позволили доказать  трехбуквенность генетического  кода. Мутации сдвига чтения возникают после того, как одно или несколько оснований выпадут из молекулы

ДНК или внедрятся  в нее. Интересно и то , что сдвиг  чтения чаще всего приводит к тому, в какой-то точке он заканчивается  нонсенс-кодоном и на нем чтение обрывается вообще. 

Выяснение природы, строения и функционирования генетического кода явилось огромным достижением современной биологии. Последние успехи в искусственном синтезе белка, нуклеиновых кислот, особенно тех ,которые обладают способностью к программированию живых вирусных частиц (работы

А.Корнберга  в США), позволяют надеяться , что  одна из основных проблем современной  биологии - искусственный синтез живого с нужными человеку свойствами - будет в конце концов разрешена.