Генетические карты непрерывны

На тех генетических картах высших организмов, которые были установлены в первой половине этого века, гены были расположены как бусы на нитке. Они были закреплены в определенном порядке, и генетическую рекомбинацию представляли как обмен соответствующими участками нитки между гомологичными хромосомами. При этом ген со всеми своими свойствами выступает как таинственный объект (бусинка), чье взаимоотношение с ее окружением (ниткой) совершенно не ясно.

Из-за небольшого числа потомков, получаемых в результате скрещивания, при построении рекомбинационных карт достигается лишь низкое разрешение.

Строение индивидуального локуса было исследовано в серии опытов с генами rll фага Т4, участвующими в лизисе бактериальной клетки. Мутации в этих генах вызывают быстрый лизис. Были подобраны такие условия опыта, когда при совместном инфицировании бактерий двумя гП-мутантами фага потомство образуется лишь при условии, что в результате рекомбинации мутантных фагов появится фаг дикого типа. Частота рекомбинации при этом также зависела от расстояния между мутациями, как и в случае эукариотической хромосомы.

Высокая разрешающая способность этого подхода, благодаря селективной методике, позволяет количественно оценить даже самые редкие рекомбинационные события, а это дает возможность измерять расстояние по карте для любой пары мутаций. (Единственным ограничением этого метода является частота обратных мутаций, или "реверсий", к дикому типу. Эта частота составляет примерно 0,0001%. Таким образом, чтобы достичь минимального уровня измерений, превышающего в 10 раз фон спонтанных мутаций, можно измерять только рекомбинационные частоты выше 0,001%)

Было проанализировано примерно 2400 мутаций, что дало возможность идентифицировать 304 различных мутантных сайта. (Если две мутации не рекомбинировали между собой, их принимали за две спонтанные мутации одного и того же генетического сайта) Исследованные мутации можно было расположить в линейном порядке. Из этого следовало, что сам ген имеет тот же линейный принцип устройства, что и гены в хромосоме. Из этих данных вытекает, что генетическая карта линейна как внутри генов, так и между ними, т.е. она представляет собой непрерывную последовательность, включающую в себя все гены.

Один ген - один белок

До 1945 г. было лишь известно, что гены - это основные единицы наследственности. Но каким путем они выполняют свою функцию, оставалось неясным. Гены можно было идентифицировать, только исходя из мутаций, вызывающих некоторые отклонения от нормы в фенотипе, причем степень отклонения варьировала от изменения одного признака (такого, как цвет глаз) до крайне резких морфологических перестроек, затрагивающих ряд тканей организма. Почти во всех случаях эффект мутации анализировали только на описательном уровне. Однако предполагали, что существует некоторая общая основа мутационных воздействий.

Идея о том, что действие мутационных факторов опосредовано ферментами, возникла почти одновременно с возрождением генетики. В работах, проведенных с 1902 по 1908 г., Геррод (Garrod) высказал мнение, что болезнь человека – алкаптонурия - обусловлена нарушением какой-то метаболической реакции, катализируемой ферментом. Его фраза - "врожденные ошибки метаболизма" - заключает в себе концепцию, согласно которой генетический дефект может привести к нарушению определенного метаболического процесса, обусловливая тем самым наблюдаемый фенотип. В последующие три десятилетия накопились примеры влияния специфических мутаций на определенные биохимические реакции. Основная трудность исследований этого периода состояла в том, что приходилось довольствоваться случайно отобранными мутациями, не всегда пригодными для биохимического изучения.

С помощью рентгеновского облучения были индуцированы мутанты Neurospora, не способные расти на минимальной среде. Биохимическую природу дефекта можно было установить. Для этого было достаточно определить, добавление какого именно вещества в среду позволяет расти мутантному штамму. У каждого мутанта блокирована определенная метаболическая стадия и каждой такой стадии у штамма дикого типа соответствовал один определенный фермент. Если какой-то субстрат утилизируется в результате целой серии метаболических реакций, мутация, нарушающая любую из этих реакций, может блокировать всю серию реакций. Об этом свидетельствует накопление метаболического предшественника того соединения, которое образуется на блокированной ступени синтеза. На рис.12 изображен пример пути биосинтеза глазного пигмента дрозофилы, последовательные этапы которого хорошо согласуются с рассмотренной выше схемой.

К 1945 г. результаты этого анализа легли в основу гипотезы: "Один генодин фермент". Согласно этой гипотезе, каждую метаболическую ступень катализирует отдельный фермент, за образование которого отвечает один ген. Мутация в гене может привести к потере активности соответствующего белка. Поскольку мутация - событие случайное и, следовательно, может повредить любой участок гена, то наиболее вероятно, что она нарушит функцию гена. Поэтому в результате большинства мутаций образуются нефункциональные гены. Однако это отнюдь не единственное последствие мутации: в результате мутации иногда происходит не потеря функции, а ее изменение.

С этих позиций легко объяснить природу рецессивных мутаций: у них нарушена функция гена, потому что мутация препятствует образованию нужного фермента. Однако, как показано на рис.13, в гетерозиготе, содержащей один ген дикого типа и один мутантный ген, ген дикого типа может обеспечить необходимую функцию. Поэтому ген дикого типа доминантен. (Иными словами, для образования необходимого количества белка достаточно наличия одного аллеля дикого типа. Если же это не так, т.е. когда один аллель обеспечивает меньшее количество белка, чем то, которое имеет место при наличии двух аллелей, наблюдается промежуточный фенотип. В таких случаях ген дикого типа только частично доминантен или кодоминантен)

Прямого доказательства того, что ген действительно детерминирует структуру белка, пришлось ждать до 1957 г., когда Ингрем (Ingram) показал, что серповидно-клеточная анемия, наследуемая как моногенный признак, обусловлена изменением аминокислотного состава белка гемоглобина.

Некоторые белки состоят более чем из одной субъединицы. Их называют мультимерными. Если субъединицы белка одинаковы, то белок гомомультимер, детерминируемый одним геном. Если же субъединицы белка различны, то белок называют гетеромультимером. Гемоглобин служит примером белка, состоящего более чем из одного типа полипептидных субъединиц. Группа гема связана с двумя ос-субъединицами и двумя в-субъединицами. Каждый тип субъединиц - иная полипептидная цепь и продукт другого гена. Таким образом, функция гемоглобина может быть подавлена мутацией в любом из генов, кодирующих либо б-, либо в-субъединицу. В связи с этими данными гипотеза "один ген - один фермент" была сформулирована в более общем виде, применительно к любому гетеромультимерному белку. Теперь она получила более точное выражение: "один ген - одна полипептидная цепь".