История развития генетики

Обоснование хромосомной теории наследственности

После пере открытия менделеевских закономерностей  развернулось изучение этих закономерностей  у всевозможных видов животных и  растений. В 1909 г. к детальному изучению этого вопроса приступил Т. Г. Морган. Прежде всего он четко сформулировал исходную гипотезу. На вопрос, всегда ли будут выполняться численные закономерности, установленные Менделем, Мендель совершенно справедливо считал, что такие закономерности верны только тогда, когда изучаемые факторы будут комбинироваться при образовании зигот независимо друг от друга. Но так как число хромосом по сравнению с количеством генов невелико, то следовало ожидать, что гены, расположенные в одной хромосоме, будут переходить из гамет в зиготы совместно. Следовательно, соответствующие признаки будут наследоваться группами. Проверку это предположения осуществил Морган и его сотрудники К. Бриджес и А. Стертевант в исследованиях с дрозофилой. Выбор этого объекта по многим причинам можно считать крупной удачей, так как дрозофила имеет небольшой период развития , обладает высокой плодовитостью и имеет всего четыре пары хромосом. Вскоре у дрозофилы было обнаружено большое количество разнообразных мутации, т.е. форм, характеризующихся различными наследственными признаками. Это позволило Моргану приступить к генетическим опытам. Он доказал, что гены, находящиеся в одной хромосоме, передаются при скрещивании совместно. Одна группа сцепления генов расположена в хромосоме. Веское подтверждение гипотезы о сцеплении генов в хромосомах Морган получил при изучении так называемого сцепленного с полом наследия. Благодаря цитолого-генетическим экспериментам ( А. Стертевант, К. Бриджес, Г. ДЖ. Меллер,1910 ) удалось установит участие некоторых хромосом в определении пола. Половые хромосомы оказались двух типов: Х- хромосомы, Y- хромосомы. Сочетание двух X-хромосом приводит к формированию женского пола, а одной X-хромосомы и Y-хромосомы дает начало мужской особи, такое сочетание присуще большинству млекопитающих( в том числе человек), амфибиям, растениям, рыбам. Проследив за поведением генов в потомстве определенных самцов и самок, Морган получил убедительное подтверждение предположения о сцеплении генов. Таким образом, в развитии генетики выделяются два важных этапа. Первый этап, базирующийся на гибридологических исследованиях, связан с открытием Менделя. Второй, связанный с успехами цитологических исследований, завершился доказательством того, что носителями наследственных факторов являются хромосомы. Морган сформулировал и экспериментально доказал положение о сцеплении генов в хромосомах. 

Искусственное получение мутаций. Классификация  мутаций.

Крупнейшим достижением  экспериментальной генетики было обнаружение  возможности искусственно вызывать мутации при помощи разнообразных  физических и химических агентов. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов (1925) получили мутации у дрожжей под действием  радия и рингенных лучей; Г. Мёллер (1927), (за изучение явлений сцепления и кроссинговера, а также открытие искусственного мутагенеза ему была присуждена в 1946 г. Нобелевская премия.) - при помощи рентгеновых лучей у дрозофилы, а Л. Стадлер (1928) - посредством воздействия этими лучами у кукурузы. В середине 30-х годов была сформулирована теория, описывающая кинетические зависимости ни активирующего и мутагенного эффекта ионизирующих излучений - так называемая "теория мишени". Важнейшие эксперименты, ставшие основой этой теории, были проведены в период 1931 - 1937 гг. Н.В. Тимофеевым-Ресовским, М. Дельбрюком, Р Цимером и другими исследователями. Важнейшим достижением на пути к искусственному получению мутации явились работы В.В. Сахарова (1932,1938) и М.Е. Лобашева(1934, 1935) по химическому мутагенезу. Новый этап изучения роли химических факторов в процессе мутации был открыт И.А. Рапопоротом (1943,46,47) и Ш. Ауэрбах (1943), указавшими на мощное мутагенное действие некоторых химических веществ. Большой материал, накопившийся в области изучения изменчивости, позволил создать классификацию типов мутаций. Было установлено существование трех видов мутации - генных, хромосомных и геномных. К первому классу относятся изменения. затрагивающие лишь один ген. В этом случае либо полностью нарушается работа гена и, организм теряет одну функцию, либо изменяется его функция. Хромосомные мутации - изменение в структуре хромосом, делятся не несколько типов: дупликацией называют мутации, при которых кроме транслокаций, может произойти удвоение, утроение отдельных участков хромосомы; инверсией называются мутации при которых оторвавшийся кусок хромосомы может остаться в той же хромосоме, но окажется в перевернутом виде, при этом порядок расположения ген в хромосоме изменяется; если утрачивается участок хромосомы, говорят о делеции, или нехватке. Все эти типы хромосомных перестроек объединяют под общим термином - хромосомные аберрации. Следующий вид мутаций, при котором изменяется числа хромосом именую геномными. В настоящее время известно большое количество веществ, усиливающих мутационный процесс. Разработана теория действия мутагенных соединений на наследственные структуры, интенсивно разрабатываются проблемы специфичности действия мутагенов. 

Изучение  генетических основ эволюции.

В 1904 г. К. Пирсон обосновал  так называемый закон стабилизирующего скрещивания, согласно которому в условиях свободного скрещивания при любом  исходном соотношении численности  гомозиготных и гетерозиготных родительских форм в результате первого же скрещивания  внутри сообщества устанавливается  состояние равновесия. В 1908 г. английский математик Г. Харди пришел к выводу, что в неограниченно больших  популяциях при наличии свободного скрещивания, при отсутствии давления мутаций, миграция и отбор относительная  численность гомозиготных (как доминантных, так и рецессивных) и гетерозиготных особей будет сохранятся постоянной при условии равенства произведения числа гомозиготных (как доминантных, так и рецессивных) особей квадрату половины числа гетерозиготных форм. Эти закономерности длительное время не были признаны биологами-эволюционистами. Лишь в 1926 г. С.С Четвериковым была опубликована большая работа, привлекшая внимание к общебиологическому значению выкладок Пирсона и Харди. Четвериков подробно рассмотрел биолого-генетические основы эволюции и заложил основы новой научной дисциплины -популяционной генетики. Дальнейшее развитие популяционной генетики связано с работами С. Райта, Р. Фишера, Н.П.Дубининым и др. Четвериков и его ученики Н.К. Беляев, С.М. Гершензон .П.Ф. Рокицкий и Д.Д. Ромашов впервые осуществили экспериментально-генетический анализ природных популяций дрозофилы, полностью подтвердивший их насыщенность рецессивными мутациями. Было также установлено, что сохранение и распространение мутаций в популяции определяется генетико-автоматическими процессами. Детальный анализ этих процессов был проведен Ромашовым (1931), Дубининым (1931) и Райтом (1921, 1931). Последний назвал их "явление дрейфа генов в популяции", а Четвериков - "генетико-стохастическими ", подчеркнув их вероятностно-статистическую природу. Статистический анализ, показал, что в результате генетико-автоматических процессов уничтожаются множество возникших мутации и лишь некоторые доводятся до уровня заметных концентраций. В силу вероятностной природы генетико-автоматичеких процессов они могут то устранять отдельные мутации, то поднимать их численность, позволяя отбору осуществлять механизм "проб и ошибок". Генетико- автоматические процессы постоянно выносят редкие мутации до уровня действия отбора и этим помогают последнему быстро "пересмотреть " новые варианты мутантов. Таким образом генетико-автоматичекие процессы ускоряют эволюцию новых мутаций за счет сокращения ранних этапов размножения вновь возникших мутации 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".