История генетики в России. Обоснование хромосомной теории наследственности. Молекулярная биология и молекулярная генетика. История развития представлений о наследственности. Цитологические основы генетики. Искусственное получение мутаций и их виды.
В совокупности наследственность и изменчивость живых организмов составляют предмет изучения генетики. В 1865 году монах Грегор Мендель (занимавшийся изучением гибридизации растений в Августинском монастыре в Брюнне (Брно ), ныне на территории Чехии) обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха (работа Опыты над растительными гибридами была опубликована в трудах общества в 1866 году). Метод, открытый Менделем, состоял в том, что он подвергал анализу наследование отдельных пар альтернативных качеств у растений (цвет или форма горошин). Открытый Э. ван Бенеденом (1883) факт, что число хромосом в клетках тела (соматических клетках) вдвое больше, чем в половых клетках, можно было легко объяснить простым рассуждением: поскольку при оплодотворении ядра половых клеток сливаются (и, тем самым, в одном ядре объединяются хромосомы этих ядер) и поскольку число хромосом в соматических клетках остается константным, то постоянному удвоению числа хромосом при последовательных оплодотворениях должен противостоять процесс, приводящий к сокращению их числа в гаметах ровно вдвое. Точное описание процесса редукционного деления (мейоза), осуществленное в 90-х годах XIX в., позволило уже в начале XX в. должным образом оценить установленные Менделем закономерности наследственности. генетика мутация хромосомный наследственностьРусские ученые одними из первых во всем мире начали проводить эксперименты по искусственному получению мутаций, что позволило им сделать выводы о факторах, оказывающих влияние на изменчивость организмов, возможности практического использования новых организмов и возможных последствиях мутаций.
Введение
Почти 3,5 миллиона видов животных, растений и микроорганизмов населяют нашу планету. Их численность варьирует в широких пределах: от нескольких десятков особей, как у амурского тигра, до нескольких миллиардов индивидов, как, например, у Homo sapiens - человека разумного. Длительность существования на Земле отдельных видов живых организмов исчисляется миллионами лет, простираясь на целые геологические периоды, при этом продолжительность жизни конкретной особи может составлять от нескольких часов (у отдельных видов микроорганизмов) до нескольких тысячелетий (у отдельных видов хвойных деревьев). Длительность существования биологических видов, состоящих из короткоживущих индивидов, обеспечивается процессами размножения, представляющими собой фундаментальное отличие живых систем от мира неживой природы.
Главная особенность размножения живых существ состоит в том, что особи любого вида производят на свет только себе подобных: кошка рождает кошку, а человек - человека. Именно это называют наследственностью. При этом наследственность не означает тождественность родительских и дочерних особей, а лишь их чрезвычайное сходство между собой и отличие от индивидов, принадлежащих к другим, даже очень близким биологическим видам.
В понятие наследственности входят четыре группы явлений: организация генетического материала, его экспрессия, воспроизведение (репликация) и передача от одного поколения к другому.
Феномену наследственности неизменно сопутствует феномен изменчивости, отражающий индивидуальные, семейные и иные различия между особями одного вида. В совокупности наследственность и изменчивость живых организмов составляют предмет изучения генетики.
Очень велико и практическое значение генетики, так как она служит теоретической основой селекции полезных микроорганизмов, культурных растений и домашних животных.
Интуитивные представления о наследственности и изменчивости существовали еще в библейские и античные времена, однако обособление генетики как самостоятельной науки стало возможным лишь на рубеже XIX - XX столетий. В это время уже сложились достаточно точные и тонкие методы скрещивания живых организмов и, кроме того, при изучении клеток и хромосом стали использовать микроскопию.
На протяжении одного столетия (срока, безусловно, малого) генетика сложилась как современная фундаментальная наука, достижения которой используются в медицине, биологической промышленности и сельском хозяйстве.
Генетика (от греч. ??????? - происходящий от кого-то) - наука о закономерностях наследственности и изменчивости. В зависимости от объекта исследования классифицируют генетику растений, животных, микроорганизмов, человека и другие; в зависимости от используемых методов других дисциплин - молекулярную генетику, экологическую генетику и другие. Идеи и методы генетики играют важную роль в медицине, сельском хозяйстве, микробиологической промышленности, а также в генетической инженерии.
Первоначально генетика изучала общие закономерности наследственности и изменчивости на основании фенотипических данных.
Понимание механизмов наследственности, то есть роли генов как элементарных носителей наследственной информации, стало возможным с применением к проблеме наследственности методов цитологии, молекулярной биологии и других смежных дисциплин.
Сегодня известно, что гены реально существуют и являются специальным образом отмеченными участками ДНК или РНК - молекулы, в которой закодирована вся генетическая информация. У эукариотических организмов ДНК свернута в хромосомы и находится в ядре клетки. Кроме того, собственная ДНК имеется внутри митохондрий и хлоропластов (у растений). У прокариот ДНК, как правило, замкнута в кольцо (бактериальная хромосома, или генофор) и находится в цитоплазме. Часто в клетках прокариот присутствует одна или несколько молекул ДНК меньшего размера - плазмид.
Работы Грегора Менделя
В 1865 году монах Грегор Мендель (занимавшийся изучением гибридизации растений в Августинском монастыре в Брюнне (Брно ), ныне на территории Чехии) обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха (работа Опыты над растительными гибридами была опубликована в трудах общества в 1866 году). Мендель показал, что некоторые наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей к потомкам в виде дискретных (обособленных) единиц. Сформулированные им закономерности наследования позже получили название законов Менделя. При жизни его работы были малоизвестны и воспринимались критически (результаты опытов на другом растении, ночной красавице, на первый взгляд, не подтверждали выявленные закономерности, чем весьма охотно пользовались критики его наблюдений).
Классическая генетика
В начале XX века работы Менделя вновь привлекли внимание в связи с исследованиями Карла Корренса, Эриха фон Чермака и Гуго Де Фриза по гибридизации растений, в которых были подтверждены основные выводы о независимом наследовании признаков и о численных соотношениях при «расщеплении» признаков в потомстве.
Вскоре английский натуралист Уильям Бэтсон ввел в употребление название новой научной дисциплины: генетика (в 1905 г. в частном письме и в 1906 г. публично). В 1909 году датским ботаником Вильгельмом Йогансеном введен в употребление термин «ген».
Важным вкладом в развитие генетики стала хромосомная теория наследственности, разработанная, прежде всего, благодаря усилиям американского генетика Томаса Ханта Моргана и его учеников и сотрудников, избравших объектом своих исследований плодовую мушку Drosophila melanogaster. Изучение закономерностей сцепленного наследования позволило путем анализа результатов скрещиваний составить карты расположения генов в «группах сцепления» и сопоставить группы сцепления с хромосомами (1910-1913 гг.).
Молекулярная генетика
Эпоха молекулярной генетики начинается с появившихся в 1940-1950-х гг. работ, доказавших ведущую роль ДНК в передаче наследственной информации. Важнейшими шагами стали расшифровка структуры ДНК, триплетного кода, описание механизмов биосинтеза белка, обнаружение рестриктаз и секвенирование ДНК.
История генетики в России
В СССР золотой век генетики начался вскоре после Октябрьской революции 1917 г. В середине 30-х гг., по мнению многих современных ученых, советская генетика, несомненно, стояла на втором, после США, месте в мире.
Наиболее крупной фигурой российской генетики был и надолго останется Н. И. Вавилов, открывший параллелизм наследственной изменчивости у растений (1922 г.) и центры происхождения культурных растений (1927 г.). Заслуги Вавилова еще при жизни были оценены современниками.
В 1911-1912 гг. С.Г. Навашин описал основные типы митотических хромосом растений: метацентрических, субметацентрических, акроцентрических, спутничных. Это описание легло в основу современной классификации морфологии хромосом.
А.С. Серебровский и Н.П. Дубинин в 1929 г. впервые продемонстрировали сложную природу организации гена.
С.С. Четвериков в 1926 г. заложил основы экспериментальной генетики популяций.
А.С. Серебровский в 1940 г. предложил уникальный биологический метод борьбы с вредителями сельского хозяйства, основанный на применении транслокаций.
Г.А. Левитский был выдающимся цитогенетиком. В 1924 г. он предложил понятие кариотипа и в 1931 г. детально развил представления о нем.
История развития представлений о наследственности
Первые идеи о механизмах наследственности высказывали древние греки уже в V в. до н.э. Согласно Демокриту (460 г. до н.э.) все в мире состоит из неделимых частиц - атомов, а «семя есть истечение…из всего тела и его важнейших частей - костей, мяса и жил». Гиппократ (400 г. до н.э.) также считал, что половые продукты состоят из экстрактов, поступающих из всего организма, так что все органы тела непосредственно влияют на признаки потомства (прямое наследование признаков). В одном из произведений Гиппократа («О священной болезни») получила развитие точка зрения Демокрита, согласно которой «произрастающее семя происходит из всех частей тела; из здоровых - здоровое, а из больных - больное» и поэтому «от флегматика рождается флегматик, от желчного - желчный, от чахоточного - чахоточный и от страдающего селезенкой - страдающий селезенкой».
Аристотель (384 - 322 до н.э.) высказывал несколько иную точку зрения: он полагал, что половые задатки, участвующие в оплодотворении, производятся не напрямую из соответствующих органов, а из питательных веществ, необходимых для этих органов. Это теория непрямого наследования. Семя образуется в крови, представляет собой продукт переваривания пищи, и «будучи сваренным, отделяется от крови как нечто отличное».
Много лет спустя, на рубеже XVIII - XIX вв., Ж.Б. Ламарк использовал представления Гиппократа для построения своей теории передачи потомству новых признаков, приобретенных в течение жизни. Учение Ламарка, в котором факторы эволюции сводились к прямому или косвенному (через упражнение или не упражнение органов) влиянию среды, привносило в трактовку проблемы наследственности и изменчивости элементы, выходящие за рамки подлинной науки.
Теория пангенеза, выдвинутая Ч. Дарвином в 1868 г., также базируется на идее Гиппократа. По мнению Дарвина, от всех клеток организма отделяются мельчайшие частицы - «геммулы», которые, циркулируя с потоком крови по сосудистой системе организма, достигают половых клеток. После их слияния в ходе развития организма следующего поколения геммулы превращаются в клетки того типа, из которого произошли, со всеми особенностями, приобретенными в течение жизни родителей.
В 1871 г. английский врач Ф. Голтон (F.Galton), двоюродный брат Ч. Дарвина, опроверг своего великого родственника. Он переливал кровь черных кроликов белым, а затем скрещивал белых между собой. В трех поколениях он «не нашел ни малейшего следа какого-либо нарушения чистоты серебристо-белой породы». Эти данные показали, что по крайней мере в крови кроликов геммулы отсутствуют.
В 80-х гг. XIX в. с теорией пангенеза не согласился А. Вейсман (А. Weismann). Он предложил свою гипотезу, согласно которой в организме существует два типа клеток: соматические и особая наследственная субстанция, названная им «зародышевой плазмой», которая в полном объеме присутствует только в половых клетках. Согласно представлениям Вейсмана половые клетки защищены от влияния соматических клеток, и поэтому признаки, изменяющие только соматоплазму, не могут наследоваться (принцип не наследования приобретенных признаков).
Подходы к современной генетике наметились в XVIII и особенно в XIX в. Научные методы скрещивания растений впервые применил И.Г. Кельрейтер (1733-1806). Он разработал метод полукастрации цветков (удаление тычинок с недозревшими пыльниками); применив взаимообратные (реципрокные) направления скрещиваний, установил равноправие пыльцы и семяпочек в передаче наследственных признаков; показал достаточность для завязывания семени минимального количества пыльцы. Кельрейтер скрещивал различные виды табака. Он также открыл явление гибридной мощности (гетерозиса), которое успешно используется в современной селекции, например, кукурузы.
Методы гибридизации растений Кельрейтера развил дальше английский ботаник Т.Э. Найт (1759-1838) - организатор и президент (с 1811 г.) Лондонского общества любителей садоводства. Наряду с опытами по гибридизации плодовых растений, он проводил искусственные скрещивания гороха, с тем, чтобы «…удостовериться в действии пыльцы одной разновидности на другую». В своих опытах на горохе (в отличие от Кельрейтера) Найт наблюдал не за общим габитусом растений, а пытался проследить за отдельными «элементарными признаками». При этом он обнаружил, что некоторые признаки при скрещивании «исчезают», а другие сохраняются (доминируют). Так, Найт первым заметил доминирование признака серой кожуры и пурпурной окраски цветков, которое впоследствии доказал Г. Мендель. Кроме того, в его опытах при скрещивании низкорослой разновидности гороха с более крупной доминировала крупная форма. Причину этого явления Найт видел в стимулирующем действии скрещивания.
Работы Кельрейтера и Найта развивали далее и многие другие ботаники. О. Сажрэ (1763-1851) получил известность как создатель новых сортов фруктовых деревьев и овощных культур. Впервые в истории гибридизации он стал изучать отдельные признаки растений, подбирая для скрещивания альтернативные пары (мякоть желтая - белая, кожура сетчатая - гладкая и др.). Он установил отсутствие смешения изучаемых признаков у дынь: признаки у потомков не исчезали, а только перераспределялись среди них. Признаки, которые не исчезают, а проявляются во втором поколении гибридов, были позже названы Менделем рецессивными.
Итак, во второй половине XIX века ученые и практики из многих стран, занимаясь гибридизацией различных видов растений, правильно подметили такие особенности наследования признаков как доминирование, единообразие гибридов первого поколения, расщепление и комбинаторика признаков во втором поколении, одинаковое проявление признаков в реципрокных скрещиваниях.
Фактически всех их можно считать непосредственными предшественниками Г. Менделя. Однако только Мендель сумел провести глубоко продуманные и спланированные эксперименты. Уже в первоначальной стадии работы он понял, что в эксперименте нужно выполнить два условия: растения должны обладать константно различающимися признаками и гибриды должны быть защищены от влияния чужой пыльцы.
Метод, открытый Менделем, состоял в том, что он подвергал анализу наследование отдельных пар альтернативных качеств у растений (цвет или форма горошин). Простота и четкость методики гибридологического эксперимента, возможность применения количественного вариационно-статического подхода и алгебраических символов в анализе его результатов - все это сделало метод Менделя новым этапом в развитии биологического познания вообще и генетики в частности
Таким образом, заслугой Менделя является то, что из непрерывной характеристики растений он выделил дискретные признаки, выявил константность и контрастность их проявления, а также ввел понятие доминантности и рецессивности. Все эти приемы впоследствии вошли в гибридологический анализ любого организма.
В результате скрещивания растений, обладающих двумя парами контрастных признаков, Мендель обнаружил, что каждый из них наследуется независимо от другого. Признаки контрастны, не теряются при гибридизации и проявляются в последующих поколениях.
Эти краеугольные закономерности наследования признаков, названные через много лет «законами Менделя», неизменно проявляются у любых живых организмов, вступающих в скрещивание, а также у их потомства, т.е. у всего живого. Обнаруженные правила наследования легко описываются математическими символами и схемами, позволяющими задолго до появления потомства точно предсказывать его характеристики. В биологии, таком образом, впервые появилась наука, обладающая предсказательной силой. И тем не менее работа Менделя не заинтересовала современников и не повлияла на распространенные в конце XIX в. представления о наследственности.
Свою работу «Опыты над растительными гибридами» Мендель опубликовал в 1866 г. в журнале «Труды Брюннского общества испытателей природы». С тех пор вокруг этой статьи ведутся дискуссии.
Цитологические основы генетики
Предвидения Менделя получили также подтверждение и на совершенно ином уровне исследований. В 70-80-х годах XIX в. были описаны митоз и поведение хромосом во время деления клетки, что навело на мысль, что эти структуры ответственны за передачу наследственных потенций от материнской клетки дочерним. Деление материала хромосом на две равные части как нельзя лучше свидетельствовало в пользу гипотезы, что именно в хромосомах сосредоточена генетическая память. Эта точка зрения еще более упрочилась после описания процессов, предшествующих созреванию половых клеток и оплодотворению. Изучение хромосом у животных и растений привело к выводу, что каждый вид живых существ характеризуется строго определенным числом хромосом. Это число стало надежным систематическим признаком.
Открытый Э. ван Бенеденом (1883) факт, что число хромосом в клетках тела (соматических клетках) вдвое больше, чем в половых клетках, можно было легко объяснить простым рассуждением: поскольку при оплодотворении ядра половых клеток сливаются (и, тем самым, в одном ядре объединяются хромосомы этих ядер) и поскольку число хромосом в соматических клетках остается константным, то постоянному удвоению числа хромосом при последовательных оплодотворениях должен противостоять процесс, приводящий к сокращению их числа в гаметах ровно вдвое. Точное описание процесса редукционного деления (мейоза), осуществленное в 90-х годах XIX в., позволило уже в начале XX в. должным образом оценить установленные Менделем закономерности наследственности. генетика мутация хромосомный наследственность
В 1900 г. независимо друг от друга трое ботаников - К. Корренс в Германии, Г. де Фриз в Голландии и Э. Чермак в Австрии обнаружили в своих опытах открытые ранее Менделем закономерности и, натолкнувшись на его работу, вновь опубликовали ее в 1901 г. Эта публикация вызвала глубокий интерес к количественным закономерностям наследственности. Цитологи обнаружили материальные структуры, роль и поведение которых могли быть однозначно связаны с менделевскими закономерностями. Такую связь усмотрел в 1903 г. В. Сэттон - молодой сотрудник известного американского цитолога Э. Вильсона. Гипотетические представления Менделя о наследственных факторах, о наличии одинарного набора факторов в гаметах и двойного - в зиготах получили обоснование в исследованиях хромосом. Т. Бовери (1902) представил доказательства в пользу участия хромосом в процессах наследственной передачи, показав, что нормальное развитие морского ежа возможно только при наличии всех хромосом.
Установлением того факта, что именно хромосомы несут наследственную информацию, Сэттон и Бовери положили начало новому направлению генетики - хромосомной теории наследственности.
Обоснование хромосомной теории наследственности
Согласно законам Менделя, проявление каждого наследственного фактора не зависит от других факторов. Его анализ моно-, ди- и тригибридного скрещивания экспериментально подтвердил этот вывод.
После переоткрытия менделевских закономерностей развернулось изучение этих закономерностей у всевозможных видов животных и растений. Одна из кажущихся неудач постигла У. Бэтсона и Р. Пеннета, изучавших в 1906 г. наследование окраски венчика и формы пыльцы у душистого горошка. Согласно Менделю, распределение фенотипов при дигибридном скрещивании должно подчиняться отношению 9:3:3:1. Вместо этого Бэтсон и Пеннет зарегистрировали расщепление в отношении 35:3:3:10. Создавалось впечатление, что факторы пурпурной окраски и сморщенной пыльцы имеют тенденцию при перекомбинациях задатков оставаться вместе. Это явление авторы назвали «взаимным притяжением факторов», но природу его им выяснить не удалось.
В 1909 г. к детальному изучению этого вопроса приступил Т. Г. Морган. Прежде всего, он четко сформулировал исходную гипотезу. Теперь, когда уже было известно, что наследственные задатки находятся в хромосомах, закономерно было ответить на вопрос, всегда ли будут выполняться численные закономерности, установленные Менделем? Мендель совершенно справедливо считал, что такие закономерности будут верны тогда и только тогда, когда изучаемые факторы будут комбинироваться при образовании зигот независимо друг от друга. Теперь, на основании хромосомной теории наследственности, следовало признать, что это возможно лишь в том случае, когда гены расположены в разных хромосомах. Но так как число последних 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 этого предположения осуществили Морган и его сотрудники К. Бриджес и А. Стертевант в исследованиях с плодовой мушкой - дрозофилой (Drosophila melanogaster). Выбор этого объекта по многим причинам можно считать крупной удачей. Во-первых, дрозофила имеет весьма небольшой период развития (всего 10-12 дней); во-вторых, благодаря высокой плодовитости дает возможность вести работу с громадными популяциями; в-третьих, может легко культивироваться в лабораторных условиях; наконец, у нее имеется всего четыре пары хромосом.
Вскоре у дрозофилы было обнаружено большое количество разнообразных мутаций, т. е. форм, характеризующихся различными наследственными признаками. У нормальных или, как говорят генетики, дрозофил дикого типа цвет тела серовато-желтоватый, крылья серые, глаза темного кирпично-красного цвета, щетинки, покрывающие тело, и жилки на крыльях имеют вполне определенное расположение. У обнаруживавшихся время от времени мутантных мух эти признаки были изменены: тело, например, было черное, глаза белые или иначе окрашенные, крылья зачаточные и т. д. Часть особей несла не одну, а сразу несколько мутаций; например, муха с черным телом могла, кроме того, обладать зачаточными крыльями. Многообразие мутаций позволило Моргану приступить к генетическим опытам. Прежде всего он доказал, что гены, находящиеся в одной хромосоме, передаются при скрещиваниях совместно, т. е. сцеплены друг с другом. Одна группа сцепления генов расположена в одной хромосоме. Веское подтверждение гипотезы о сцеплении генов в хромосомах Морган получил также при изучении так называемого сцепленного с полом наследования.
Благодаря цитолого-генетическим экспериментам (А. Стертевант, К. Бриджес, Г. Дж. Меллер, 1910) удалось установить участие некоторых хромосом в определении пола. У дрозофилы, например, наряду с тремя парами хромосом (аутосом), не имеющих отношения к определению пола, была обнаружена пара половых хромосом. Половые хромосомы, в свою очередь оказались двух типов - длинные палочковидные Х-хромосомы и маленькие изогнутые Y-хромосомы. Их сочетаниями и определяется пол мухи. Дальнейшие эксперименты показали, что у дрозофилы, как и у большинства млекопитающих (в том числе человека), амфибий, рыб и большинства растений попадание в зиготу двух Х-хромосом приводит к формированию женской особи, объединение же одной Х-хромосомы и одной Y-хромосомы дает начало мужской особи. Следовательно, все женские гаметы одинаковы - они несут по одной Х-хромосоме; мужские особи дают гаметы двух типов: половина содержит Х-хромосому, половина - Y-хромосому. Поэтому при оплодотворении половина зигот получает набор хромосом XX, а половина -XY, и отношение полов равняется 1 : 1.
Молекулярная биология и молекулярная генетика
Молекулярная биология как самостоятельная наука, изучающая молекулярные основы жизнедеятельности клетки, возникла на рубеже 1940-1950 гг., когда была установлена генетическая роль дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), а расшифровка структуры ДНК позволила описать в простых физико-химических терминах принцип передачи наследуемых признаков от родительской клетки к дочерним.
К этому времени история изучения нуклеиновых кислот насчитывала уже около восьмидесяти лет. Честь их открытия принадлежит выдающемуся швейцарскому биохимику Фридриху Мишеру, который в 1868-1872 гг. выделил из ядер клеток гноя и спермы лосося новое фосфорсодержащее вещество, названное им нуклеином (от греч. nucleus - ядро). Впервые нуклеиновую кислоту, свободную от белков, получил Р. Альтман в 1889 г., который и ввел этот термин в биохимию. Разработка методов выделения и изучение химического состава нуклеиновых кислот были продолжены в лабораториях А. Косселя, У. Джонса, П. Левина, О. Гаммерстена, Дж. Гулланда и др.
Усилиями этих ученых и их сотрудников удалось установить, что в природе существует два типа нуклеиновых кислот. Один из них содержит два пурина - аденин и гуанин, два пиримидина - цитозин и тимин, остатки дезоксипентозы и фосфорной кислоты. Другой вместотимина содержит урацил, а вместо дезоксипентозы - пентозу. Так как дезоксипентозонуклеиновые кислоты (в современной терминологии - дезоксирибонуклеиновые кислоты, ДНК) выделяли в основном из тимуса теленка, а пентозонуклеиновые кислоты (рибонуклеиновые кислоты, РНК) - из дрожжей и растений, то долгое время существовала уверенность в том, что ядра клеток животных содержат только ДНК, а ядра клеток растений - только РНК. И лишь к середине 1930-х годов было доказано, что ДНК и РНК содержатся в каждой живой клетке. Первостепенная роль в утверждении этого фундаментального положения принадлежит А. Н. Белозерскому, впервые выделившему ДНК из растений. С развитием методов цитохимии и гистохимии (Т. Касперссон, Ж. Браше и др.), а также методов фракционирования субклеточных структур (А. Даунс, А. Мирский, Дж. Паладе и др.) к концу 1940-х годов было установлено, что ДНК локализуется преимущественно в ядре, а РНК-в цитоплазме клеток.
К началу 1950-х годов были завершены работы по изучению принципов химического строения нуклеиновых кислот (А. Тодд, В. Кон исотр.), когда было установлено строение их мономеров - нуклеозидов и нуклеотидов, и доказано, что и в ДНК, и в РНК нуклеотидные остатки связаны 3"-5"-фосфодиэфирной связью. К этому же времени с помощью бумажной хроматографии были выяснены основные закономерности нуклеотидного состава ДНК и РНК (Э. Чаргафф и сотр.). В частности, было показано, что в ДНК аденин и тимин, гуанин и цитозин всегда содержатся в равных количествах; это имело принципиальное значение при установлении ее макромолекулярной структуры.
Выдающейся вехой в изучении нуклеиновых кислот стало открытие О. Эйвери и сотр. (1944). Они показали, что с помощью чистой ДНК наследуемый признак может быть перенесен из одной клетки в другую и что ДНК является носителем генетической информации. Это положение получило вскоре убедительное подтверждение в экспериментах А. Херши и М. Чейз с ДНК бактериофагов.
В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик сумели правильно интерпретировать данные рентгеноструктурного анализа ДНК, накопленные в лабораториях Р. Франклин и М. Уилкинса, и на их основе построить модель пространственной структуры ДНК. Они показали, что макромолекула ДНК - это регулярная двойная спираль, в которой две полинуклеотидные цепи строго комплементарны друг другу. Из анализа модели следовало, что после расплетания двойной спирали на каждой из полинуклеотидных цепей может быть построена комплементарная ей новая, в результате чего образуются две дочерние молекулы, неотличимые от материнской ДНК. Через пять лет М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили этот механизм, а несколько раньше (1956) А. Корнберг открыл фермент ДНК-полимеразу, который на расплетенных цепях, как на матрицах, синтезирует новые, комплементарные им цепи ДНК.
Открытие генетической роли ДНК потребовало решения другой фундаментальной задачи - проблемы кода, с помощью которого нуклеотидный текст переводится на язык аминокислот - структурных единиц белка. Впервые эту задачу правильно сформулировал в начале 1950-х годов Г. Гамов, который предсказал, что этот код должен быть трехбуквенным и неперекрывающимся. Экспериментально общие свойства генетического кода были установлены Ф. Криком, С. Бреннером и сотр. к концу 1950-х - началу 1960-х годов. К этому же времени в общих чертах были выяснены функции и принципы структурной организации РНК. Были открыты рибосомы и рибосомные РНК (РРНК), транспортные РНК (ТРНК) и, наконец, информационные (или «мессенджер», МРНК). Стало ясным, что в совокупности все эти РНК служат промежуточным звеном при переносе генетической информации от ДНК к белкам. Было доказано, что собственно биосинтез полипептидных цепей белка происходит на рибосомах, где генетическая информация, переписанная (транскрибированная) с ДНК в виде МРНК, транслируется с помощью ТРНК. В 1959-1961 гг. П. Доти, А. С. Спириным и их сотр. было установлено, что все клеточные РНК представляют собойоднотяжевые полинуклеотиды с характерной вторичной структурой, построенной из коротких двуспиральных участков, соединенныходнотяжевыми участками. Несколько позже в лабораториях Дж. Уотсона, А. С. Спирина и М. Номуры были установлены принципы структурной организации рибосом.
В 1960 г. сразу в нескольких лабораториях был открыт фермент РНК-полимераза, осуществляющий синтез РНК на ДНК-матрицах. Таким образом, идея Ф. Крика о передаче генетической информации от ДНК к белку через РНК (ДНК - РНК - белок), высказанная им еще в середине 1950-х годов, приобрела конкретное содержание.
Генетический аминокислотный код был полностью расшифрован в 1961-1966 гг. усилиями лабораторий М. Ниренберга, С. Очоа и Г. Кораны.
Открытие основных компонентов систем транскрипции и трансляции послужило важным стимулом в изучении механизмов регуляции этих процессов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно опубликовали схему регуляции синтеза белков на уровне транскрипции при помощи регуляторных белков, а в 1966 г. У. Гилберт и Б. Мюллер-Хилл впервые выделили такой белок. Кроме того, оказалось, что РНК-полимераза сама является регулятором генной активности (Р. Б. Хесин, 1962-1966). Эти работы привели к открытию основных регуляторных генетических элементов - промоторов и терминаторов транскрипции.
В середине 1960-х годов начались исследования нуклеотидных последовательностей РНК. Первыми были определены первичные структуры ТРНК (Р. Холли и сотр., 1965; А. А. Баев и сотр., 1967). Развитие техники фракционирования фрагментов нуклеиновых кислот и прежде всего гель-электрофореза (Ф. Сэнгер и сотр.) позволило в начале 1970-х годов приступить к изучению первичной структуры высокомолекулярных РНК. В 1976-1978 гг. были созданы исключительно быстрые и эффективные методы секвенирования ДНК и РНК (А. Максам и У. Гилберт, Ф. Сэнгер и сотр.), которые позволили за короткое время получить огромную информацию о первичной структуре генов, их регуляторных элементах, вирусных и рибосомных РНК и т. д.
В 1973 г. одновременно в лабораториях А. Рича и А. Клуга с помощью рентгеноструктурного анализа была установлена пространственная структура ТРНК. В эти же годы был открыт основной структурный элемент эукариотических хромосом - нуклеосома - и разработаны методы ее исследования.
В 1970 г. Г. Темин и Д. Балтимор открыли в онкогенных вирусах РНК-зависимую ДНК-полимеразу и тем самым показали, что в принципе поток генетической информации может быть обращен от РНК к ДНК.
Огромное значение для молекулярной биологии последнего десятилетия имеет развитие генетической инженерии (возникшей в 1972-1973 гг.; П. Берг, П. Лобан, С. Коэн и Г. Бойер) и методов работы с рекомбинантными ДНК в сочетании с методами химического синтеза крупных фрагментов ДНК. В результате сделались доступными для исследования индивидуальные гены и регуляторные генетические элементы, было стимулировано изучение ферментов биосинтеза и обмена нуклеиновых кислот. Благодаря этому после в конце 1970-ых гг. были обнаружены мозаичное (экзон-интронное) строение генов, явление сплайсинга и ферментативной активности у РНК, усилители («энхансеры») экспрессии генов, многие регуляторные белки, онкогены и онкобелки, мобильные генетические элементы. Возникла белковая инженерия, которая позволяет получать новые, не существующие в природе белки. Молекулярная биология начала оказывать существенное влияние на развитие биотехнологии, медицины и сельского хозяйства.
Искусственное получение 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 рентгеновых лучей; Г. Меллер (1927) - при помощи рентгеновых лучей у дрозофилы, а Л. Стадлер (1928) - посредством воздействия этими же лучами у кукурузы.
В изучении проблемы изменчивости начался новый, исключительно плодотворный период. В короткий срок мутагенный эффект облучения был исследован на многих объектах. Было установлено, что под действием облучения могут возникать мутации любых типов. Вместе с тем для изучения проблемы воздействия лучистой энергии на биологические системы решающее значение имело выяснение мутагенной активности различных родов излучений. Оказалось, что все известные виды излучений способны вызывать наследственные изменения. В середине 30-х годов была сформулирована теория, описывающая кинетические зависимости инактивирующего и мутагенного эффекта ионизирующих излучений - так называемая «теория мишени». Важнейшие эксперименты, ставшие основой этой теории, были выполнены в период 1931-1937 гг. Н. В. Тимофеевым-Ресовским, М. Дельбрюком, Р. Циммером и другими исследователями.
Важным достижением на пути к искусственному получению мутаций явились работы В. В. Сахарова (1932, 1938) и М. Е. Лобашева (1934, 1935) по химическому мутагенезу. Сахаров показал мутагенное действие йода, а Лобашев - аммония. Новый этап изучения роли химических факторов в процессе мутаций был открыт И. А. Рапопортом (1943, 1946, 1947) и Ш. Ауэрбах (1943), указавшими на мощное мутагенное действие некоторых химических веществ.
(За изучение явлений сцепления и кроссинговера, а также открытие искусственного мутагенеза Г. Меллеру была присуждена в 1946 г. Нобелевская премия.)
В настоящее время известно большое количество веществ, усиливающих мутационный процесс. Разработана теория действия мутагенных соединений на наследственные структуры, интенсивно разрабатываются проблемы специфичности действия мутагенов.
Классификация мутаций
Большой материал, накопившийся в области изучения наследственной изменчивости, позволил создать классификацию типов мутаций.
Было установлено существование трех классов мутаций - генных, хромосомных и геномных. К первому классу относятся изменения, затрагивающие лишь один ген. В этом случае либо полностью нарушается работа гена и, следовательно, организм теряет одну из функций, либо изменяется его функция. Хромосомные мутации, т. е. изменения в структуре хромосом, в свою очередь, подразделяются на несколько типов. Кроме транслокаций, о которых шла речь выше, может произойти удвоение, утроение и т. д. отдельных участков хромосомы. Такие мутации называют дупликацией. Иногда оторвавшийся кусок хромосомы может остаться в той же хромосоме, но окажется в перевернутом виде; при этом порядок расположения генов в хромосоме изменяется. Этот тип мутаций называют инверсией. Если утрачивается участок хромосомы, говорят о делеции, или нехватке. Все эти типы хромосомных перестроек объединяют под общим термином - хромосомные аберрации.
Наконец, мутации могут выражаться в изменении числа хромосом. Такие мутации именуют геномными. Оказалось, что отдельные хромосомы могут удваиваться или теряться, в результате чего образуются гетероплоиды, Чаще набор хромосом увеличивается в кратное число раз и возникают полиплоиды, т. е. клетки или целые организмы с избыточными наборами хромосом.
Изучение наборов хромосом (кариотипов) различных видов выявило широкую распространенность полиплоидии в природе, особенно среди растений, для многих из которых описано большое количество полиплоидных рядов. Например, представители рода Triticumрасполагаются в такой ряд - Triticum топососсит имеет 14 хромосом (диплоиды); Tr. turgidum, Tr. durum несут 28 хромосом (тетраплоиды); YTR. valgare и Tr. spelta число хромосом равно 42 (гексаплоиды). В роде Solanum прослежен ряд: 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108, 144 хромосом (гаплоидное число хромосом в этом роде может умножаться до 24 раз). Род Rosa характеризуется рядом: 14, 21, 28, 35, 42, 56 хромосом. Полиплоидные ряды не обязательно содержат члены с удвоенными, учетверенными, ушестеренными и т. д. наборами хромосом. Так, в РОДЕCREPIS наблюдается четко выраженная полиплоидия, но число хромосом в ряду возрастает следующим образом: 6, 8, 10, 12, 16, 18, 24, 40, 42. Таких родов в растительном царстве много.
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 равновес
Вывод
Русские ученые одними из первых во всем мире начали проводить эксперименты по искусственному получению мутаций, что позволило им сделать выводы о факторах, оказывающих влияние на изменчивость организмов, возможности практического использования новых организмов и возможных последствиях мутаций.
Список литературы
1. Биология - История развития генетики. - http://www.5ka.ru/10/24545/1.html
