Замечательное открытие Моргана  дало мощный толчок развитию  генетики. Молодая наука обогатилась  первыми теоретическими обоснованиями  и получила признание в мире  ученых. Морган получил Нобелевскую  премию по физиологии и медицине  в 1933 г. «за открытия, связанные  с ролью хромосом в наследственности». 

     С развитием концепции гена  стало ясно, что в основе мутации  лежат какие-то химические изменения  в веществе – носителе наследственной  информации. (Различают три уровня организации наследственных структур: генный, хромосомный и геномный. Соответственно этому может быть три типа мутаций. Если изменение возникает на молекулярном уровне с ДНК, то мутация называется генной. Если изменяется структура хромосом, то говорят о хромосомных мутациях. В случае изменения числа хромосом речь идет о мутациях геномных.⁹)  Этот вопрос был подробно изучен Германом Дж. Меллером, который со студенческих лет начал работать в группе Моргана. Он выяснил, что большинство мутаций вредны и смертельны. Что скорость мутации не зависит от окружающих факторов и мутации происходят с постоянной скоростью, независимо от необходимости в них. В 1926 г. Меллер обнаружил, что рентгеновские лучи увеличивают скорость мутации в сотни и тысячи раз по сравнению с нормой. Эти эксперименты положили начало радиобиологии.

     Открытие, согласно которому наследственность  и эволюция могут преднамеренно  изменяться в лабораторных условиях, вызвало сенсацию. Меллер внезапно  стал известным и почитаемым. В 1934 г. он принял приглашение Н.И.Вавилова, директора Института растениеводства Академии наук СССР, приехать в Ленинград в качестве ведущего генетика для проведения исследований мутаций генов. В 1946 г. Меллеру была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения».

     Хромосомная теория наследственности  явилась высшим достижением генетики. Хромосомные карты и возможность  создания искусственных мутаций  с помощью радиации или химических  мутагенов оказалась мощным оружием  в руках селекционеров. Благодаря  ему чисто интуитивный искуственный  отбор, осуществляемый в течение  тысячелетий, превратился в точную  науку, и это позволило неимоверно  ускорить создание новых сортов. В 50-60-е годы были получены  новые высокоурожайные культуры; результат их внедрения оказался  столь впечатляющим, что в мире  заговорили о «зеленой революции».¹⁰

Гены

   По  статье В. В. Велькова «Опять актуален вопрос: что такое ген?» (http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)

   Один  ген — один признак

   Создатель генетики, монах августинского монастыря  Георг Иоанн Мендель, слова „ген“  не знал. Но благодаря результатам  своих чётко продуманных и  безупречных опытов пришёл к выводу, что у организмов существуют какие-то дискретные наследственные факторы, определяющие дискретные морфологические признаки. Гениальный и дерзкий труд смиренного монаха, опубликованный в 1866 г., остался  незамеченным.

   В 1900 г законы Менделя были переоткрыты <…> Но термин „ген“ предложил датский исследователь Вильгельм Иоганнсен. В 1909 г он написал: „свойства организмов обуславливаются особыми, при известных обстоятельствах отделимыми друг от друга и в силу этого до известной степени самостоятельными единицами или элементами в половых клетках, которые мы называем генами. В настоящее время нельзя составить никакого определённого представления о природе генов; мы можем лишь довольствоваться тем, что подобные элементы действительно существуют. Не являются ли они химическими образованиями — об этом мы пока не знаем решительно ничего“. Что ж, в 1909 г Иоганнсен действительно не знал, что ещё в 1902 г английский врач А. Гаррод, исследуя родословные семей, пришёл к выводу, что алкаптонурия, болезнь, связанная с нарушением обмена веществ (нарушением „биохимии“, то есть), передаётся по наследству. К открытию английского врача судьба была не более благосклонна, чем к открытию католического монаха — оно было признано и оценено через 30 лет.

   Один  ген — одна биохимическая  реакция

   Когда мы говорим о том, что такое  ген, будем различать его структуру  и его функции. Структура —  из чего и как организован ген, функция, — что и как он делает. Из работ Георга Менделя следует, что функция гена — определение  морфологического признака. Сэр Арчибальд  Гаррод, работая врачом в госпитале  для больных детей и „демонстратором“ химической патологии в больнице Св. Варфоломея, обнаружил, что алкаптонурия вызывается повреждением одного рецессивного гена и что болезнь проявляется, согласно анализу родословных, когда  мутантный аллель находится в  гомозиготном состоянии. Отсюда был  сделан вывод, что повреждение одного гена вызывает отсутствие одной биохимической  реакции. А раз биохимические  реакции катализируются ферментами то, предположил сэр Арчибальд, ген  предопределяет наличие активного  фермента. А отсюда рукой подать до вывода „один ген — один фермент“. Но он был сделан только через 30 лет. Детский врач А. Гаррод публиковал свои результаты в самом респектабельном, но медицинском журнале „Lancet“  — генетики его не читают.

   Один  ген — один фермент

   В 1935 г Джордж Бидл и Борис Эфрусси  изучали, как мутации в генах  плодовых мушек дрозофил влияют на окраску их глаз и обнаружили, что  различные мутации приводят к  прекращению синтеза различных  предшественников в пути биосинтеза глазного пигмента. Был сделан вывод: в норме гены обеспечивают наличие  ферментов, осуществляющих биохимические  реакции.

   В 1940 г Дж. Бидл и Эдвард Татум использовали новый подход для изучения того, как гены обеспечивают метаболизм у  более удобного объекта исследований — у микроскопического грибка Neurospora crassa. Ими были получены мутации, у которых отсутствовала активность того или иного фермента метаболизма. А это приводило к тому, что мутантный гриб был не способен сам синтезировать определённый метаболит (например, аминокислоту лейцин) и мог жить только тогда, когда лейцин был добавлен в питательную среду. Сформулированная Дж. Бидлом и Э. Татумом теория „один ген — один фермент“ — быстро получила широкое признание у генетиков, а сами они были награждены Нобелевской Премией.

   Методы  селекции так называемых „биохимических мутаций“, приводящих к нарушениям действия ферментов, обеспечивающих разные пути метаболизма, оказались очень  плодотворными не только для науки, но и для практики. Сначала они  привели к возникновению генетики и селекции промышленных микроорганизмов, а потом и к микробиологической промышленности, которая использует штаммы микроорганизмов, сверх продуцирующие  такие стратегически важные вещества, как антибиотики, витамины, аминокислоты и др.. В основе принципов селекции и генной инженерии штаммов сверхпродуцентов лежит представление, что „один ген кодирует один фермент“. И хотя это представление отлично работает на практике, приносит многомиллионные прибыли и спасает миллионы жизней (антибиотики) — оно не является окончательным. Один ген — это не только один фермент.¹¹

Краткие итоги

   Итак, в своем развитии генетика прошла ряд этапов.

   Первый  этап ознаменовался открытием Г. Менделем (1865) дискретности (делимости) наследственных факторов и разработкой  гибридологического метода, изучения наследственности, т. е. правил скрещивания  организмов и учета признаков  у их потомства.

   Значение  открытий Г. Менделя оценили после  того, как его законы были вновь  переоткрыты в 1900 г. тремя биологами  независимо друг от друга. Результаты гибридизации, полученные в первое десятилетие XX в. на различных растениях и животных, полностью подтвердили менделевские законы наследования признаков и показали их универсальный характер по отношению ко всем организмам, размножающимся половым путем. Закономерности наследования признаков в этот период изучались на уровне целостного организма (горох, кукуруза, мак, фасоль, кролик, мышь и др.).

   Менделевские  законы наследственности заложили основу теории гена — величайшего открытия естествознания XX в., а генетика превратилась в быстро развивающуюся отрасль  биологии.

   В 1901 —1903 гг. де Фриз выдвинул мутационную  теорию изменчивости, которая сыграла  большую роль в дальнейшем развитии генетики.

   Важное  значение имели работы датского ботаника В. Иоганнсена, который изучал закономерности наследования на чистых линиях фасоли.

   Он  сформулировал также понятие  “популяциям (группа организмов одного вида, обитающих и размножающихся на ограниченной территории), предложил  называть менделевские “наследственные  факторы” словом ген, дал определения  понятий “генотип” и “фенотип”.

   Второй  этап характеризуется переходом  к изучению явлений наследственности на клеточном уровне (питогенетика). Т. Бовери (1902—1907), У. Сэттон и Э. Вильсон (1902—1907) установили взаимосвязь между  менделевскими законами наследования и распределением хромосом в процессе клеточного деления (митоз) и созревания половых клеток (мейоз).

   Развитие  учения о клетке привело к уточнению  строения, формы и количества хромосом и помогло установить, что гены, контролирующие те или иные признаки, не что иное, как участки хромосом. Это послужило важной предпосылкой утверждения хромосомной теории наследственности.

   Решающее  значение в ее обосновании имели  исследования, проведенные на мушках дрозофилах американским генетиком  Т. Г. Морганом и его сотрудниками (1910—1911).

   Ими установлено, что гены расположены  в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Число  групп сцепления генов соответствует  числу пар гомологичных хромосом, и гены одной группы сцепления  могут перекомбинироваться в  процессе мейоза благодаря явлению  кроссинговера, что лежит в основе одной из форм наследственной комбинативной  изменчивости организмов. Морган установил  также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом.

   Третий, современный этап развития генетики отражает достижения молекулярной биологии и связан с использованием методов и принципов точных наук — физики, химии, математики, биофизики и др. — в изучении явлений жизни на уровне молекул. Его изучением мы и займемся далее. 

Глава вторая. Современный  этап генетики или  «эра ДНК» и «геномная  эра»

Примерная хронология

Эра ДНК

   • 1944 Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти изолируют ДНК (тогда его называли трансформирующим началом (transforming principle)).

   • 1950 Эрвин Чаргафф показывает, что, хотя доля нуклеотидов в ДНК не постоянна, наблюдаются определённые закономерности (например, что количество аденина, A, равно количеству тимина, T) (Правило Чаргаффа). Барбара Мак-Клинток обнаруживает транспозоны у кукурузы.

   • 1952 Эксперимент Херши—Чейз доказывает, что генетическая информация бактериофагов (и всех других организмов) содержится в ДНК.

   • 1953 Структура ДНК (двойная спираль) расшифрована Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком с помощью Розалин Франклин

   • 1956 Jo Hin Tjio и Алберт Леван впервые верно устанавливают Хромосомное число человека: 46 хромосом в диплоидном наборе.

   • 1958 Эксперимент Мезельсона—Шталя показывает, что удвоение ДНК носит полуконсервативный характер.

   • 1961 Выяснено, что генетический код состоит из триплетов.

   • 1964 Говард Тёмин на примере РНК-содержащих вирусов показал, что центральная догма Уотсона не всегда верна.

   • 1970 При изучении бактерии Haemophilius influenzae обнаружены ферменты рестриктазы, которые позволяют вырезать и встраивать участки молекул ДНК.¹²

Геномная  эра

   • 1977 ДНК секвенирована впервые независимо Фредериком Сенгером, Уолтером Гилбертом и Алланом Максемом. Лаборатория Сенгера полностью секвенирует геном бактериофага Φ-X174;.

   • 1983 Кэри Бэнкс Мёллис открывает Полимеразную цепную реакцию, открывающую возможности простой и быстрой амплификации ДНК.

   • 1989 Впервые секвенирован ген человека (Фрэнсис Коллинс и Лап-Че Цуи). Ген кодирует белок CFTR. Дефекты в последовательности гена приводят к развитию опухолей .

   • 1995 Впервые полностью секвенирован геном организма невирусной природы — бактерии Haemophilus influenzae.

   • 1996 Впервые полностью секвенирован геном эукариотного организма — пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

   • 1998 Впервые полностью секвенирован геном многоклеточного эукариотного организма — нематоды C. elegans.