Начнем с рассказа о работах Сеймура Бензера — физика, который, как и многие его коллеги в наши дни, заинтересовался биологией.
Раньше считалось, что ген — это такая часть хромосомы, которая, во-первых, несет единичную функцию (то есть управляет в организме развитием какого-либо одного признака) и, во-вторых, в ней может произойти только одна мутация. Был известен также процесс обмена частями между хромосомами, называющийся перекрестом, или кроссинговером. Во время кроссинговера две хромосомы могли обменяться своими частями. Хромосома а отдавала хромосоме в свою часть А1 а хромосома в взамен отдавала хромосоме а свой кусок В2. В старой концепции гена считалось, что при кроссинговере перекрест может произойти только между генами.
Таким образом, эту концепцию можно было выразить таким афоризмом: «Ген — единица функции, мутации и кроссинговера». Правда, уже и в те годы, когда была создана эта гипотеза, существовали опыты, не укладывавшиеся в эту схему. Советский ученый Н. П. Дубинин в серии экспериментов показал, что ген может изменяться многократно. Имелись также указания, что и число перекрестов в гене может быть больше одного, но, несмотря на это, ген долго продолжали считать единицей функции, мутации и кроссинговера.
Еще до того, как Бензер проводил свои опыты, у фагов был открыт процесс, аналогичный кроссинговеру высших организмов. Этот процесс назвали рекомбинацией.
Почти 10 лет Бензер потратил на изучение бактериофага Т4, поражавшего кишечную палочку. В числе присущих фагу Т4 признаков было и то, что из большого числа различных кишечных палочек фаг мог прикрепляться к клеткам разновидностей (или линий), обозначавшихся символами В, S и К. После прикрепления ДНК фага Т4 проникала внутрь клеток, затем образовывалось много копий этой родительской ДНК, каждая из них одевалась белком и готовые фаговые частицы вызывали разрушение (лизис) клеток. Если кишечная палочка выращивалась на поверхности твердой питательной среды в чашках Петри, бактерии образовывали пленку поверхностного роста, так называемый бактериальный газон.
Так вот, если к бактериям добавляли фаг, он «выедал» на поверхности газона круглые мелкие пятна или, как их называют в бактериофагии, бляшки. Время, уходившее на это, было довольно устойчивым признаком фага. Но иногда среди фагов наблюдались мутации, называющиеся от английского слова rapidly (быстрый) r-мутантами; r-мутанты образовывали бляшки быстрее, чем нормальные, дикие фаги, и бляшки эти были крупнее и четче.
Бензер и занялся исследованием r-мутантов фага Т4. Прежде всего ему удалось разбить их на три типа, которые он обозначил римскими цифрами: I, II и III. Основанием для такого деления служило то обстоятельство, что мутанты разных типов могли поражать клетки одних линий кишечной палочки и не могли поражать клетки других линий.
Дикий (то есть не мутировавший) фаг мог расти на всех трех линиях бактерий и давать мелкие бляшки. Разный характер проявления генетических свойств и использовал Бензер для своей классификации. Из таблицы можно видеть, как он подразделил все r-мутанты.
У генетиков принято все необходимые в экспериментах данные о взаимном расположении генов и их мутаций в хромосоме отмечать на так называемой хромосомной карте. Приведем расположение изученных Бензером трех типов r-мутаций на таких картах.
Для своих опытов Бензер выбрал различные rII-мутанты. Чтобы обнаружить их, достаточно было одновременно высеять фаг на культурах В и К: тогда те из r частиц фага, которые размножаются на В, но не дадут бляшек на К, и будут rII-мутантами.
Применяя этот метод, исследователь начал изучать ген rII. И тут он столкнулся с интересными закономерностями. Первое, что он решил проверить, а нельзя ли получить рекомбинантов при скрещивании двух частиц фагов, мутировавших в гене rII? По старой теории, они не должны были возникать: ведь ген — это единица рекомбинации, она не может дробиться.
Однако прежнее представление о том, что между собой могут рекомбинировать только два гена, но не отдельные их участки, было опровергнуто Бензером. После отбора большого числа r-мутантов, он рекомбинировал всевозможные rII-мутанты между собой, и эта работа увенчалась успехом. Положение о том, что ген не может дробиться, было опровергнуто.
А потянув за эту ниточку, Бензер начал распутывать и весь клубок. Ведь, если внутри гена, управляющего проявлением одного признака (признака быстро образующихся «прозрачных r-бляшек), во-первых, образуется не одна (как считали раньше), а много «мутаций, и, во-вторых, если эти мутации могут рекомбинировать, то, установив частоту осуществления рекомбинаций, можно определить взаимное расположение мутаций внутри гена, т. е. картировать их. Так Бензер впервые подошел к вопросу о внутренней структуре гена. Применив традиционный генетический метод («трех точек»), он сумел расположить полученные им несколько сотен мутаций rII друг за другом и таким образом построил генетическую карту области rII.
Правда, не обошлось и без хитростей. Если бы, скажем, лет 10 назад любому генетику сказали, что кто-то картировал 365 мутантов, он ответил бы: «Это немыслимое дело. Вы ошиблись раз в триста. Можно картировать три, ну, скажем, четыре, но не триста мутантов, для этого не хватит жизни человека».
Действительно, процесс картирования очень сложен и трудоемок. Но и здесь Бензер «внес свое рационализаторское предложение. Обычно полученный мутант можно вернуть к прежнему состоянию, если вызвать обратную мутацию в том же участке данного гена. Но часть мутантов, полученных Бензером, никогда не возвращалась к дикому типу. Внимательное изучение таких мутантов навело ученого на мысль, что они возникли в результате выпадения значительных кусков молекулы ДНК, а не замены одного основания другим. Такие мутации называют «делециями» (нехватками). Они-то и позволили ускорить картирование других мутаций. Выбрав несколько таких делеций, Бензер прежде всего точно определил длину выпавшего участка ДНК (то есть длину делеции), а затем уже, пользуясь такими делециями как линейками разной длины, он быстро измерил расстояния между всеми мутациями.
Так Бензеру удалось доказать, что старое понятие «ген — единица функции, рекомбинации и мутации» объединяет разные величины. Ген должен подразделяться на много единиц рекомбинации. В свою очередь, внутри такой наименьшей единицы длины ДНК, обменивающейся при рекомбинации, может возникать несколько мутаций. И тогда надо вводить новую генетическую единицу — единицу длины ДНК, ответственную за мутацию. Исходя из этого, Бензер и подразделил ген на три единицы: единицу функции назвал цистроном, единицу рекомбинации — реконом, а единицу мутации — мутоном.
Происхождение двух последних названий, мутона и рекона, понятно, но что за странное понятие — цистрон? Своим названием цистрон обязан методу определения этой генетической единицы, так называемому цис-транс-тесту.
В генетике считается: если две мутации расположены в одной из парных хромосом, то говорят, что они находятся в цис-положении, а если они распределены в двух хромосомах, говорят, что они находятся в транс-положении. Но у фагов ведь нет парных хромосом, у них одна хромосома — молекула ДНК. Как же использовать этот метод?
Удалось преодолеть и это препятствие. Была создана модель парности хромосом фага тем, что внутрь бактерий вводились две молекулы ДНК от двух разных фагов (бактерия заражалась сразу двумя фагами), и благодаря этому оказалось возможным применить цис-транс-тест к фагам. Поставленная задача сводилась к тому, чтобы узнать, принадлежат ли изученные мутации rII у фага Т4 к одной или к нескольким функциональным единицам-цистронам.
Исследование всех мутаций rII показало, что они принадлежат двум цистронам: А и В. Ген rII оказался не геном, а областью, состоящей из двух генов-цистронов.
Четко было доказано наличие трех ступеней организации гена — мутона, рекона и цистрона: единицы мутации, рекомбинации и функции.