История развития генетики

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.

• 2001 Обнародованы первые наброски полной последовательности генома человека одновременно Проектом «Геном человека» (Human Genome Project) и Celera Genomics.

• 2003 (14 апреля) Проект «Геном человека» успешно завершён: 99 % генома секвенировано с точностью 99.99%.

• 2008 Стартовал международный проект по расшифровке геномов 1000 человек.¹³

История изучения ДНК

ДНК была открыта Иоганном Фридрихом  Мишером в 1869 году. Вначале новое  вещество получило название нуклеин, а  позже, когда Мишер определил, что  это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая  кислота. Биологическая функция  новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась  запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК  не имеет никакого отношения к  передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком  однообразным и не могло содержать  закодированную информацию.¹⁴

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 вместо тимина 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.¹⁵

Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось  раньше, является носителем генетической информации. Одно из первых решающих доказательств  принесли эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось  показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в  результате добавления в неё мёртвых  болезнетворных бактерий) отвечают выделенные из пневмококков ДНК. Эксперимент американских учёных Алфреда Херши и Марты  Чейз (Эксперимент Херши—Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами  белками и ДНК бактериофагов  показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота  фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую  кислоту, как исходный фаг.¹⁶

К началу 1950-х годов были завершены  работы по изучению принципов химического  строения нуклеиновых кислот (А. Тодд, В. Кон и сотр.), 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.¹⁷

Структура двойной спирали ДНК  была предложена Френсисом Криком и  Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании  рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК  соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.¹⁸

Чтобы понять точное воспроизведение наследственности из поколения в поколение, надо было расшифровать механизм точного удвоения (репликации) ДНК. Ведь наследственность копируется без ошибок (кроме редких мутаций). Надежность точного воспроизведения молекулы молекулой давала модель Уотсона и Крика. Если нити ДНК разъединить (расплести), то на каждой из них может синтезироваться зеркальная копия, в которой аденин соединяется с тимином водородными связями, а гуанин с цитозином также водородными связями. А это и создает две точные копии одной исходной молекулы. Казалось бы, вопрос решен, но изучение ДНК на этом не закончилось.¹⁹

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.²⁰

Механизм  реализации генетической информации

Но ведь явление наследственности — это не только передача наследственной информации, но и ее реализация в признак. Открытие ДНК и расшифровка ее структуры еще не давали убедительных объяснений ее функциям или механизмам реализации генетической информации.²¹

В 1953 г американский генетик Сеймур Бензер, исследуя особенности рекомбинации между двумя различными мутантами  бактериофага Т4, одновременно заражавших кишечную палочку Escherichia coli, установил, что ген — это линейная структура, кодирующая синтез одного полипептида, а функциональный белок может  состоять из нескольких полипептидов, при этом полипептиды в индивидуальном виде свою функцию, например, ферментативную, выполнять не могут за исключением случаев, когда функциональный белок (фермент, например) состоит из одной полипептидной цепи.

После обнаружения, что наследственные признаки определяются именно ДНК, сделанного в 1928 г Ф. Гриффитом и О. Эвери, и подтверждённого Ч. Мак-Леодом и М. Мак-Карти в 1944 г, а так же после открытия Джеймсом Уотсоном и  Френсисом Криком в 1953 г того, что  ДНК — это линейная двунитевая молекула, стало ясным, что