ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГЕНЕ

Основные положения генетики состоят в том, что развитие всякого организма обусловлено взаимодействием внутренних и внешних факторов. Внутренние факторы – это наследственная конституция особи, а внешние – те условия среды, в которых осуществляется развитие.

Теория гена пытается вскрыть природу структуры и функции внутренних наследственных факторов развития. На громадном экспериментальном материале установлено, что наследственные структуры представлены в хромосоме в виде тонких нитей, дифференцированных по длине на множество участков, каждый из которых обладает специфическими действиями. Эти участки хромосом получили название гены. Три главных свойства характеризуют гены: а. Они оказывают специфическое влияние на клеточную физиологическую основу и на процессы развития. б. Обладают способностью удваиваться при каждом клеточном делении или удвоении хромосом внутри клетки. в. Обладают способностью изменяться (мутивировать) под воздействием внутренних и внешних факторов. В начале ХХ века вопрос о мутационном проявлении новых признаков и наследственных свойств решался неправильно. Как в химии учения о низменности атома, так в генетике в течение некоторого времени получила идея неизменности генов. Однако, последующее экспериментальное изучение вопроса показало, что под влиянием изменений в обмене веществ под прямым воздействием проникающих факторов гены мутивируют, т.е. изменяют свою физико – химическую природу.

Обмен веществ между хромосомами ядра, цитоплазмой и внешней средой лежит в основе жизнедеятельности клетки и является первоисточником всех процессов развития особи. Изменчивость генов и хромосом, их размножение при делении клетки также покоятся на обмене веществ между ядром, цитоплазмой и внешней средой. Гены не являются зачатками признаков, которые растут и распределяются при развитии особи. Признаки не передаются через материнскую наследственную систему в готовом виде. Они в каждом поколении развиваются заново.

Материальным субстратом гена служат молекула ДНК и в отдельных случаях РНК. Первое свидетельство такого взгляда было обнаружено при анализе явления трансформации, открытого Гриффитом в 1927 г. Однако, только в 1944 г. Эйвери и др. установили, что вещество, которое трансформирует одну форму пнемнококков в другую форму, представляет собой молекулу ДНК. Однако и после этой работы высказывались сомнение что не ДНК, а малая примесь белка ответственна за явление трансформации. Очистка препарата была доведена до того, что на 1мг. ДНК приходилась одна молекула белка. При этом, если ввести препарат ДНК - азу, разрушающий ДНК, то трансформирующая активность препарата исчезла. С другой стороны, введение ферментов, разрушающих белки, не влияло на активность препарата. Т. О., связь гена с ДНК была реально установлена в опытах в 1944г.

Молекулярные основы наследственности у вирусов.

Новые доказательства генетической роли ДНК были получены при исследовании инфекционности у фагов. Херши и Чейс в 1952г. заразили бакиериофагом Т-2 клетки бактерии Е.соly, которые предварительно выращивали на среде содержащей радиоактивную серу -S³⁵ и радиоактивный фосфор - P³². Фаговые частицы, выросшие в таких бактериях получили метку в ДНК за счет P³², который включался в остатки фосфорной кислоты, одновременно метились белки фага за счет включения в них “S³⁵”. Такие меченные частицы фагов были использованы для заражения чистых клеток бактерии. Было обнаружено, что в клетки бактерии проникали только молекулы ДНК. Белок, представленный оболочкой фага, оставался в виде “теней” на поверхности клетки. Было получено доказательство, что за инфекционность фага и за передачу всей его генетической информации ответственны молекулы ДНК.

В некоторых случаях частицы вируса состоят из белка и РНК. Это касается хорошо известного растительного вируса табачной мозаики. Частицы этого вируса были разделены на 1 молекулу белка и 1 РНК. Боле того, оказалось возможным соединить белок из частиц одного штамма с РНК др. штамма. Синтетические гибридные частицы несли белок от штамма А и РНК-штамма В и наоборот. После заражения такими вирусами листьев табака в них происходило размножение только РНК, а дочерние вирусные частицы несли белок, идентичный белку тех вирусов, от которых была взята РНК. Опыты подтвердили, что носителем наследственной информации и материальной природой гена являются ДНК и РНК.

Центровая теория гена.

Исходя из того, что гены программируют синтез специфических белков, которые являются главными составными частями клетки, ген может быть определен как отрезок молекулы ДНК, который содержит информацию необходимую для создания специфической последовательности аминокислот в полипептидной цепи. В этом случае ген выступает как кодирующая система. Он также способен к ауторепродукции и мутации. Принадлежность генов к одной серии множественных аллелей, каждый из которых возникает путем мутации в одном и том же локусе, доказывается генетическими опытами. Изучение аллелей помогло Т.Моргану создать основы теории гена. Согласно его теории: каждый ген представляет собой неразложимую корпоскулу наследственности- единицу функции, рекомбинации и мутации. Не проходящей заслугой Моргана является материализация понятия о гене, ибо он показал связь генов с определенным локусом хромосомы.

В наши дни проблема гена перешла на новый методологический и экспериментальный уровень. Главное состоит в том, что ген рассматривается ныне сам как система и как часть более сложной общей системы генотипа, участвующей в метаболизме клетки и организма.

Еще в 1928г. Н.П.Дубинин при изучении открытого им явления ступенчатого аллелизма у дрозофилы сформулировал идею о сложной структуре гена.

При исследовании мутаций scate и achaete у дрозафилы было показано, что их аллели частью совпадают по своим свойствам, а частью не совпадают. Это несовпадение доходит до того, что соединение двух аллелей в компаунде (генотип гетерозиготный по двум мутантным аллелям: безщетинковые- st и уменьшенные щетинки- ach) внешне приводило к потере аллелизма между двумя генами, которые безусловно при надлежали к одной и тот же серии аллелей. Анализ закономерностей мутагенеза и закономерности фенотипического проявления компуандов разных пар аллелей привел к созданию идеи дробимости гена на части и позволил линейно картировать части гена внутри общей системы гена в целом. Разработка идеи центровой теории гена привела к обоснованию трех следующих положений: 1. Ген дробим, он состоит из отдельных частей, расположенным в нем в линейном порядке, эти части могут независимо изменяться при мутациях. Т.О., ген не является единицей мутации. 2. Ген – не единица рекомбинации,ибо кроссинговер может происходить внутри сложного гена. 3. Ген- не единица функций, поскольку действие гена в целом обусловлено интеграцией функций его отдельных частей.

Важный шаг в анализе природы гена был сделан при изучении так называемого псевдоаллелизма, который во многом является дальнейшим развитием принципов, высказанных при исследовании ступенчатого аллелизма. Учение о псевдоаллелях было разработано Оливером, Грин, Люисом и др. Псевдоаллелями были названы гены, которые с одной стороны является истинным аллелями, а с другой стороны могут быть рекомбинированы при помощи кроссинговера. В наши дни существование псевдоаллелей показано у: дрозофилы, кукурузы, хлопчатника, нейроспоры аспергиллов, кишечной палочки, бактериофагов и др.

Одним из наиболее изученных случаев является псевдоаллелизм по гену lozenge (гладкие глаза, без фасеток) у дрозофилы, изученный Грином и Грин. Рекомбинационный анализ 18 аллелей гена “ lozenge “ показал, что здесь имеется три группы мутантов, которые рекомбинируются друг с другом. Эти мутации распадаются на три фенотипических класса по морфологическому и биохимическому эффекту. Однако представители этих классов встречаются в разных сублокусах: А, В и С. Разработка данных по псевдоаллелизму привела к постановке двух важнейших проблем в теории гена: ген оказался сложной системой как в отношении его функционирования, так и его мутабильности и способности к рекомбинации. Оказалось, что сложный ген имеет пространственную протяженность, ибо состоит из отдельных сублокусов.

Молекулярные основы строения гена.

Работы Бензера, Демерица и др. раскрыли молекулярные основы гена, показав, что ген представляет собой отрезок молекулы ДНК. Исследования Бензера (1955-1961) были посвящены анализу молекулярного строения гена “rll” у бактериофага Т₄, дики фаг Т₄ вызывает образование сходных стерильных пятен при его посеве на газоне из клеток любой из двух линий бактерии Е. Colu В и К₁₂. Определенная категория мутантов этого фага вызывает измененные стерильные пятна при посеве на линию В. и совсем не размножается в клетках бактерии К₁₂. Все мутанты этого типа оказались локализованными в пределах небольшого участка фаговой хромосомы, равной по длине всего лишь 6 единицам рекомбинации. Было показано, что если заразить клетки бактерии К₁₂ двумя разными мутантами, то в некоторых случаях наблюдается размножение этих мутантов. Этот опыт указал, что такие мутации неаллельны. С другой стороны, введение двух независимо полученных разных «rll» мутантов не приводило к лизису бактерий, такие мутанты признавались принадлежащими к одной и тойже серии аллелей. этот анализ обнаружил существование двух групп таких мутантов: А и В в районе «rll», которые в дальнейшем были названы цистронами А и В. Изучение рекомбинаций между аллелями внутри каждого цистрона показало, что здесь, наряду с генными мутациями, встречается много нехваток, которые не дают обратных мутаций и нерекомбенируются с аллелями расположенными в районе нехваток. Рекомбинационный анализ аллелей и получение компаундов с нехватками позволили провести подробнейшее картирование внутри цистронов А и В, занимающих район «rll». Рисунок представляет собой отрезок ДНК фага Т₄ с рядом локусов, среды которых есть и локус «rll». Используя метод комплементации, Бензер разделил локус «rll» на цитроне А и В, причем цитрон А оказался гораздо длиннее цистрона В и для удобства обозначений «rll» мутантов Бензер разбил цистрон А на 6 сегментов, каждый сегмент был разделен на подсегменты.

Сегменты А_1. А₂ А₃ А₄ А₅ А₆ В

 

Сегменты А5а А5в А5с А5d

Подсегмент А5с1 А5с2а1 А5с2а2 А5с2в

Сайты r 148 r 548 r 960 r 795 r 235

Дальнейший анализ показал на примере участка А5, который при помощи трех делеций разбивается на четыре сегмента. Для каждого из них, в нашем случае для сегмента А5с2а2, теперь уже с помощью рекомбинационного анализа между разными мутантами создаются микрокарты, в которых устанавливается линейное расположение элементарных частей генов- отдельных сайтов. Каждому мутантному сайту присвоен свой номер. Всего Бензер обнаружил в пределах “rll” области около 300 мутантных сайтов. Сопоставление генетической карты с общим объемом ДНК позволило Бензеру выразить единицу рекомбинаций в количестве нуклеотидов. По этим расчетам цистрон А у фага Т₄ содержит около 200 сайтов. Бензер назвал эту единицу мутабильности внутри гена- мутоном. При наличии 200 мутоном цистрона А размер составляют две пары нуклеотидов. Т О. размеры мутона и рекона совпадают.

Рекомендуемая литература: М.Е. Лобашов и др. «Генетика с основами селекции». М., МГУ, 1978год. 425стр.

С.Г. Инге-Вечтомов «Генетика с основами селекции». Москва «Высшая школа». 1989год, 590стр.

Р.Г. Заяц и др. «Общая и медицинская генетика». Ростов- на- Дону. «Феникс». 2002год. 315стр.