Дарвин считал эволюцию процессом приспособления организма к условиям среды, происходящего путем естественного отбора полезных «вариаций».
На уровне развития науки своего времени он не мог, конечно, заменить слово «вариации» термином «мутации», поскольку в то время генетика как наука еще не существовала. Однако, будучи человеком, стремящимся сводить концы с концами, Дарвин предположил, что «вариации», в том числе изменения, приобретаемые организмом в течение его жизни в результате реакции на воздействия внешней среды, наследуются при помощи механизма, обеспечивающего передачу информации от всех соматических клеток (клеток тела) половым клеткам. В настоящее время мы знаем, что приобретенные признаки не наследуются. С развитием генетики возникли представления о наследственных признаках организма (фенотип) как о проявлении действия совокупности генов, расположенных в его хромосомах (генотип).
Необходимо подчеркнуть, что условия среды, в которых развивается организм, могут оказывать глубокое влияние на фенотипическое выражение генов. Классическим примером подобного влияния может служить влияние температуры на число фасеток в глазу дрозофилы, в хромосомах которой имеются мутации low-bar и ultra-bar. Два организма с идентичными потенциальными возможностями развития могут выглядеть или функционировать совершенно по-разному, но у их потомства наблюдается возврат к стандартному признаку. Внешние признаки, развившиеся под влиянием условий среды, не наследуются.
Сейчас мы можем говорить, что эволюция происходит в результате отбора благоприятных генных мутаций в популяции и сохранению их благодаря размножению.
Эта книга написана для биохимиков, большинство которых, как и сам автор, мало знакомо с генетикой; поэтому мы начнем с краткого обзора представлений о гене и некоторых экспериментальных данных, знание которых необходимо для понимания дальнейшего изложения. Мы ограничимся изложением менделевских закономерностей, наблюдаемых при половом размножении у высших растений и животных. Лежащие в их основе механизмы, хотя они далеко не универсальны, могут служить качественной базой для изучения размножения даже таких специализированных генетических систем, как бактериальные вирусы (если мы пренебрежем некоторыми деталями).
Сто с лишним лет назад Г. Мендель сделал наблюдения, которые легли в основу главных законов генетики. Мендель скрещивал разные сорта садового гороха, различающиеся контрастирующими признаками (например, пурпуровые и белые цветки), и установил, что в первом поколении (F1) цветки у всех растений пурпуровые. Следовательно, пурпуровая окраска — доминантный признак, а белая — рецессивный. Такая же доминантность и рецессивность наблюдалась и у многих других контрастирующих признаков.
В потомстве, полученном от скрещивания двух растений F1, т. е. во втором поколении (F2), у трех четвертей растений цветки были пурпуровые, а у одной четверти — белые. Эти опыты показали, что каждая единица наследственности, обусловливающая развитие того или иного признака, существует в двух формах и что эти аллельные формы не смешиваются в течение жизни организмов первого поколения (F1), а сохраняют свою обособленность, с тем чтобы разойтись в следующем поколении. Эти единицы наследственности впоследствии (в 1911 г.) Иогансен назвал генами. Организмы, содержащие обе аллельные формы гена (например, менделевские растения гороха Fi), получили название гетерозиготных, а организмы, содержащие двойную порцию одного или другого аллеля, называются гомозиготными. В генетике гетерозиготы обозначают Rr, а гомозиготы RR и rr (соответственно гомозиготы по доминантному и рецессивному аллелю).
Опыты Менделя иллюстрируют «закон расщепления». Соотношение 3:1 растений с пурпуровыми и белыми цветками во втором поколении получится в том случае, если две аллельные формы (доминантная и рецессивная) гена, определяющего окраску цветка, при образовании половых клеток распределяются так, что клетки с аллелями R и r имеются в равном количестве, а при образовании следующего поколения комбинируются случайно. Мендель проверил эту гипотезу, получив от растений F2 с пурпурными цветками еще одно поколение (F3); при этом одна треть растений F2 (с генотипом RR) дала в потомстве только растения с пурпурными цветками, тогда как две трети (с генотипом Rr) дали в потомстве растения как с белыми, так и с пурпурными цветками в отношении 1:3. Этого и следовало ожидать, исходя из закона расщепления.
В некоторых опытах Мендель скрещивал растения гороха, различающиеся по двум или большему числу признаков. Представлена схема скрещивания сортов гороха, у одного из которых семена были желтые и гладкие, а у другого — зеленые и морщинистые. Мендель знал заранее, что желтая окраска доминирует над зеленой, а гладкая поверхность — над морщинистой. В F1 семена были желтые и гладкие, поскольку у гибрида имелись оба доминантных аллеля, определявших его фенотип. Однако в F2 фенотип семян определялся случайным сочетанием четырех расщепляющихся признаков. Среди семян были обнаружены все четыре возможных сочетания признаков, но, поскольку гены желтой окраски и гладкой поверхности доминировали над генами зеленой окраски и морщинистости, наблюдалось отношение 9 : 3 : 3 :1 и лишь у 1/16 семян проявлялись оба рецессивных признака. Это явление независимого распределения наследственных признаков представляет собой второй основной «закон», вытекающий из опытов Менделя.
Простота опытов Менделя и легкость их интерпретации объясняются тем, что ему посчастливилось выбрать признаки, которые давали теоретически ожидаемое отношение 3:1. Во многих случаях не удается получить такое отношение; напротив, некоторые группы генов при расщеплении передаются вместе, т. е. наблюдается так называемое сцепление признаков. Чтобы понять явление сцепления генов, нужно сначала разобрать процессы митоза и мейоза.
Прошло более 100 лет с тех пор как цитологи обнаружили в клетке хромосомы — палочковидные или нитевидные структуры, появляющиеся в ядре во время клеточного деления. Число хромосом в ядре — характерный и постоянный признак каждого вида животных или растений. Генетическая информация, содержащаяся в клетке, непрерывно воспроизводится в каждой из дочерних клеток при помощи процесса митоза. Приведена картина митоза в клетках кончика корешка обычного лука. Слева схематично изображено поведение одной из хромосом этого растения. Белыми кружками показаны центромеры — специализированные структуры, имеющиеся у каждой хромосомной нити и служащие местом прикрепления нитей, соединяющих хромосому с полюсом веретена во время деления клетки.
В процессе клеточного деления центромера удваивается. Иногда встречаются клетки, хромосомы которых лишены центромер или же, наоборот, имеют не одну центромеру, а больше; такие клетки обычно гибнут. Самое важное генетическое событие заключается в точном удвоении хромосомы в период между стадиями Б и Е с образованием дочерней нити; этот процесс обеспечивает наследственную однородность всех соматических клеток организма в период его роста и развития.
Ядра соматических (диплоидных) клеток содержат вдвое больше хромосом, чем половые клетки, или гаметы (гаплоидные). Иными словами, каждая гамета содержит лишь одну из аллельных форм каждого гена. Когда соединяются две половые клетки, то образующаяся диплоидная зигота получает наследственные единицы от обоих родителей, причем они организованы так, что соответствующие парные хромосомы содержат весь набор аллельных генов. Процесс образования гамет из клеток половых желез называется мейозом. Сначала в клетке наблюдается стадия, напоминающая профазу митоза. Затем соответствующие хромосомы из отцовского и материнского набора сближаются, причем каждая цитологически различимая деталь материнской хромосомы сопоставляется (конъюгирует) с соответствующим участком отцовской; после этого каждая хромосома продольно делится на две. У большинства организмов эти парные нити соединяются друг с другом в одной или нескольких точках, образуя хиазмы.
Дальнейшие стадии мейоза приводят к образованию гамет, содержащих лишь по одной хромосоме каждого типа. Во время второго мейотического деления центромера удваивается. Детали этих поздних стадий мейоза несколько различаются у разных организмов, но в конечном счете всегда приводят к образованию гаплоидных половых клеток.
В начале XX в. цитологи выяснили, что явления независимой перекомбинации и расщепления наследственных признаков связаны с поведением хромосом во время клеточного деления. Прямые доказательства подобной связи были вскоре получены главным образом благодаря работам и богатой фантазии Моргана. Морган избрал объектом своих экспериментальных исследований плодовую мушку (Drosophila melanogaster), так как у этой мушки хромосомы, содержащиеся в клетках слюнных желез, имеют необычайно крупные размеры. Этот организм обладает также рядом других особенностей, которые делают его очень удобным для генетических исследований: дрозофилы очень быстро размножаются и имеют только четыре пары хромосом. Скрещивая линии мух, различающиеся по ряду наследственных признаков, Морган показал, что многие из этих признаков наследуются по законам Менделя. Однако вскоре он заметил, что в наследовании ряда признаков не наблюдается независимой перекомбинации: часто они передаются от родителей потомству вместе, как будто бы они сцеплены и образуют наследственный комплекс. Вся генетическая информация, содержащаяся в одной хромосоме, передается в гамету как целое; исключение составляют лишь отдельные участки, которыми хромосомы обмениваются со своими партнерами в процессе образования хиазм. Таким образом, два тесно сцепленных гена (а физически сцепление можно представить себе как расстояние вдоль нити) едва ли отделятся друг от друга в течение мейоза. Морган и его последователи вскоре обнаружили, что изучаемые ими признаки дрозофилы делятся на 4 группы сцепления, и сделали вывод, что каждая группа соответствует одной из четырех хромосом. Впоследствии этот вывод полностью подтвердился, особенно когда изучение гигантских хромосом слюнных желез дрозофилы позволило непосредственно сопоставить генные мутации, выявляемые генетическими методами, с морфологическими изменениями в отдельных хромосомах, обнаруживаемыми цитологическими методами.
Иногда наблюдается независимое распределение сцепленных генов, несмотря на то что они локализованы в одной хромосоме. Подобное разъединение генов объясняется обменом участками хромосом, происходящим при образовании хиазм.
Морган предположил, что частота разъединения или перекомбинации двух сцепленных генов зависит от расстояния между ними. Иначе говоря, вероятность образования хиазмы между двумя генами, расположенными на большом расстоянии друг от друга, гораздо больше, чем вероятность ее образования между генами, расстояние между которыми невелико. Эта гипотеза полностью подтвердилась многочисленными данными по рекомбинации сцепленных генов у самых разнообразных организмов, и, хотя имеется немало примеров количественных отклонений от этого правила, в целом частота рекомбинаций может служить мерилом расстояния между генами.
Обратимся теперь к некоторым новым данным в области генетики. Для наших целей необходимо обрисовать лишь основные положения генетики, и мы не можем останавливаться на многочисленных исключениях и ограничениях, которые можно найти в любом учебнике. Так, например, у самцов дрозофилы в процессе сперматогенеза хиазм не образуется, и поэтому в потомстве гибридных самцов не происходит перекомбинации сцепленных генов. При размножении фагов, которое мы будем подробно обсуждать в последующих главах, рекомбинация сцепленных генов происходит (со статистической точки зрения) аналогично рекомбинации у высших организмов. Определение расстояния между генами в «хромосоме» фага основывается главным образом на тех же вычислениях, которые используются и при изучении гороха, несмотря на то что у фагов классические реципрокные кроссоверы не появляются, т. е. в результате однократного скрещивания не появляются дикий тип и двойной рекомбинант.
Если гены действительно расположены вдоль хромосомы в линейном порядке и если при помощи анализа сцепления можно определить расстояния между ними, то можно построить «карту», отражающую расположение генов по отношению друг к другу. Такие карты были построены для некоторых высших организмов, а в последнее время также для бактерий и вирусов. В основном правильность обозначенных на карте расстояний между генами можно проверить соответствующими скрещиваниями. Так, путем ряда скрещиваний между мухами, несущими гены Л, В и С, было установлено, что если расстояние между А и В составляет х единиц, а между В и С — у единиц, то расстояние между А и С будет примерно равно сумме х и у. Применяемые здесь единицы — единицы рекомбинации — представляют собой процент особей, обнаруженных в потомстве от определенного скрещивания, которые отличаются по своему генотипу от исходных родительских форм. По ряду причин «генетические расстояния», указанные на карте, лишь приблизительно соответствуют истинным физическим длинам участков хромосомы. Одна из причин этого отклонения от истинных расстояний заключается в большей способности некоторых частей хромосом к перекресту по сравнению с другими; другая — в возможности образования нескольких перекрестов. С увеличением расстояния между двумя генами возрастает вероятность появления множественных кроссоверов; пределом является одинаковое число одиночных и двойных кроссоверов. Таким образом, если гены расположены далеко друг от друга, а перекрест происходит случайно, то «расстояние на карте» будет приближаться к 50 единицам рекомбинации, а не к 100. В общем генетические карты правильно отражают относительный порядок расположения генов и подтверждают правильность гипотезы их линейного расположения. Однако необходимо учитывать, что частота перекрестов варьирует в различных участках хромосомы, а кроме того, различна у разных видов, что оказывает большое влияние на точность определения расстояний и длины всей генетической карты путем суммирования.
В огромном большинстве случаев перевод фенотипа на генетический язык производится по тем простым правилам, которые мы пытались суммировать. Трудности, которые испытывают неспециалисты при чтении генетической литературы, связаны с терминологией, созданной специалистами для обозначения уклонений от нормы. Наличие того или иного гена проявляется благодаря его способности изменяться и переходить в ненормальную аллельную форму, вызывающую развитие какого-либо необычного фенотипического признака. Такие изменения генов называют мутациями; однако следует отчетливо представлять себе, что в этом слове кроется множество значений и что истинного понимания природы генных изменений удастся достигнуть лишь после того, как генетика начнет пользоваться языком химии.
Появление нового фенотипического признака может быть связано с изменением самого гена — его химии или конфигурации, нехваткой, или дупликацией, или же каким-либо «эффектом положения», связанным с инверсиями или транслокациями, перемещающими гены в новое положение вдоль хромосомы.
Согласно Добжанскому, «хромосома представляет собой не вместилище генов, а гармоничную систему взаимодействующих генов. Определенный порядок расположения генов в хромосомах сложился постепенно, в процессе эволюции организма, которому принадлежат хромосомы; строение хромосомы, как и любого другого органа, является продуктом адаптивной эволюции». Мы надеемся, что предложенное читателю краткое изложение самых основных элементов генетики своей краткостью (и неполнотой) вызовет у него желание заглянуть в некоторые книги, перечисленные в конце этой главы.
Дальнейшее содержание этой книги посвящено главным образом функции генов, причем изложение носит химический характер, насколько это допускают наши знания о строении нуклеиновых кислот и белков. Термин ген в классическом смысле имеет чисто описательное значение. Он применим к любой единице наследственности, которая претерпевает мутацию и может быть выявлена на основании изменения фенотипа. По мере того как определяемые на генетической карте расстояния между генами становятся все меньше и меньше, максимальный размер химической единицы, представляющей собой ген, также как бы постепенно уменьшается. Наши представления о размере гена, основанные лишь на генетических данных, всецело зависят от чувствительности методов, используемых для выявления очень редких кроссоверов. Именно в пределах той зоны, где трудно выявить кроссоверы, классическое определение гена начинает разрушаться; здесь-то современные исследования в области генетики и химии и находят общую почву. Определения размеров гена (как описательной единицы) производили многими различными методами, применение которых в совокупности позволило более или менее четко установить верхнюю и нижнюю границы. Один из таких методов состоит в изучении кроссинговера. Мёллер и Прокофьева, например, локализовали четыре гена в гигантских хромосомах клеток слюнных желез дрозофилы на участке протяженностью 0,5 ц и сделали вывод, что в среднем максимальная длина каждого гена должна быть равна 1250 А. Другие методы определения, основанные на изучении влияния ионизирующих излучений на частоту мутаций, показали, что один ген может занимать объем, соответствующий шару диаметром 10—100 А. Несоответствие между определениями, полученными при исследовании кроссинговера и влияния излучения, слишком велико, чтобы это можно было объяснить ошибкой в эксперименте или в его интерпретации; это несоответствие заставляет думать, что указанных два метода затрагивают различные стороны строения гена: одним методом определяется величина целого, интактного гена (функциональной генетической единицы), а другим — изменение тонкой «внутренней» химической структуры.
Этот вывод как будто подтверждается новейшими данными тонкого анализа генетических структур. Некоторые результаты такого анализа будут изложены ниже.
Для того чтобы перекинуть мостик от классических генетических представлений к революционным открытиям современной генетики микробов, полезно рассмотреть пример видимого подразделения одного гена на более мелкие единицы, выявленного в генетических структурах дрозофилы.
В процессе изучения сцепления были обнаружены некоторые генетические единицы, названные псевдоаллелями. Они контролируют одни и те же или, во всяком случае, тесно связанные друг с другом процессы. Один такой набор псевдоаллелей образуют гены lozenge у Drosophila melanogaster. Мутация в участке lozenge вызывает изменения окраски, глаз, а также некоторых других морфологических признаков. Мутантные формы рецессивны по отношению к нормальному аллелю данного гена, т. е. у гетерозиготных особей окраска глаз нормальная. Грин и Грин изучили три мутантных локуса внутри этого участка генетической карты, причем все они проявляли признаки lozenge. На основании изучения кроссинговера авторы сделали вывод, что генетическое расстояние между этими тремя локусами составляет менее 0,1 единицы рекомбинации. Затем им удалось показать, что двойные гетерозиготы, содержащие в одной хромосоме по два мутантных аллеля, проявляют признак дикого типа; если же два мутантных аллеля локализованы в разных гомологичных хромосомах, то развивается мутантный фенотип. Влияние различного расположения двух мутантных локусов на фенотип иллюстрируется. Для этих данных было предложено два объяснения. Одно из них сводится к тому, что отдельные локусы контролируют активность различных ферментов, которые физически тесно связаны с самим генетическим локусом. Считается, что эти ферменты участвуют в серии последовательных реакций, ведущих к образованию какого-то важного химического соединения. Подобная ситуация была бы приемлема, если бы в силу характера отдельных реакций осуществление всей цепи реакций зависело от некоторых минимальных концентраций промежуточных продуктов и если бы эта цепь прерывалась в случае субоптимальной концентрации какого-либо промежуточного продукта, достигаемой в результате диффузии (от одной хромосомной нити к другой у гетерозигот по «мутации). Подобное объяснение явлений псевдоаллелизма требует большого числа допущений и в настоящее время кажется менее правдоподобным, чем другое объяснение, согласно которому каждая мутация, затрагивающая псевдоаллель, хотя ее и можно отделить при помощи перекреста от других, как любой другой «ген», фактически представляет собой изменение субструктуры функционального родительского гена. Таким образом, можно считать, что мутация любого из трех локусов гена lozenge одинаково способна нарушить его функцию, и только в цис-конфигурации, когда вся функциональная нагрузка ложится на одну неповрежденную нить, может проявиться нормальный фенотип. Забегая вперед, укажем, что на основании этих соображений Бензер создал новый генетический термин цистрон для обозначения генетической функциональной единицы, которую в генетических экспериментах можно разбить на отдельные единицы рекомбинации, получившие название реконов. Пользуясь терминологией Бензера, два рекона относят к одному и тому же цистрону, если при цис-конфигурации двух мутантов в двойной гетерозиготе обеспечивается нормальная функция, тогда как при транс-конфигурации нормальная функция невозможна.
Данные, показавшие, что гены представляют собой блоки, образованные очень тесно сцепленными субъединицами, которые могут быть отделены при перекресте, необычайно важны для биохимиков, интересующихся «генетической химией». Мутагенное влияние ионизирующего излучения на участок генетического материала, диаметр которого определен равным 10 А или около того, становится гораздо более осязаемым явлением, если эту величину можно сравнить с равноценной «молекулярной» длиной (например, с расстояниями, разделяющими боковые цепи полипептида, или с размерами молекул динуклеотида).
Материал дальнейших глав покажет, что минимальные единицы генетического материала, способные мутировать, по-видимому, имеют такие же размеры. Возможно, что скоро удастся приравнять их к отдельным нуклеотидным остаткам, расположенным вдоль полинуклеотидных нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты.