Развитие представлений о гене
Изучение гена – центральная проблема генетики. Представления о гене всегда в концентрированной форме отражали уровень развития, достижения и нерешенные вопросы генетики.
Понятие «ген» как дискретную единицу наследственности ввел датский биолог и генетик Вильгельм Людвиг Иогансен в 1909 году. Этим термином он выражал «лишь тот точно установленный факт, что многие признаки обусловливаются в организме самостоятельными состояниями, задатками». Таким образом, понятие «ген» он предложил как синоним наследственным «задаткам»». Подобное представление о гене было характерно для генетики вплоть до 20-х годов XX века.
Первая попытка конкретизации понятия «ген» была сделана Т.Х. Морганом в 1926 году в его публикации «Теория гена». Опираясь на проделанные исследования хромосомных мутаций, рекомбинаций, Морган так характеризует свойства генов; они находятся в хромосомах, являются неделимыми единицами мутации и рекомбинации, изменяются только как целое, кроссинговер никогда не наблюдается в пределах гена, гены контролируют элементарные менделевские признаки.
Импульсом к дальнейшему развитию теории гена в 1920–1930-х годах послужили экспериментальные работы отечественных генетиков Александра Сергеевича Серебровского, доказавшего протяженность и сложную структуру гена, и Николая Петровича Дубинина, впервые построившего линейный план одного гена дрозофилы на основе исследований явления ступенчатого аллелизма. Вслед за ними уже в 40-е годы в лабораториях всего мира проводились массовые исследования структуры гена. Каждую роль для решения этой проблемы сыграл выдвинутый английскими генетиками принцип «один ген – один фермент». Этот принцип послужил основанием для утверждения, что для каждого типа полипептидной цепи (то есть белка) существует так называемый структурный ген, определяющий в ней чередование аминокислотных остатков. Это стимулировало новое направление в исследованиях природы гена – конкретизацию его свойств, структуры и функций.
Следует заметить, что долгое время представления о гене существенно зависели от возможностей обнаружения редких событий изменения генетического материала. Достичь нужного количества материала для исследований возможно лишь при работе с микроорганизмами (бактериями, фагами, дрожжами) и с культурами клеток высших организмов. Именно работы с подобным исследовательским материалом заметно расширили представления о гене. В 1960 году американский генетик С. Бензер, проводя исследования на бактериофаге T4, развивающемся в бактерии кишечной палочки, доказал, что ген бактериофага состоит из линейно расположенных, независимых друг от друга элементов.
Работы биохимиков, особенно открытие, сделанное в 50-е годы XX века Ф. Криком и его коллегами, установившими двухцепочечность молекулы ДНК и трехмерность ее структуры, позволили определить биологические функции ДНК в качестве носителя наследственной информации. Были найдены параметры генетического кода для синтеза белков, а в 1905 году проведена его полная расшифровка, осуществленная С. Очоа, М. Ниренбергом и др. Наиболее существенным достижением этого периода было утверждение, что ген в молекулах ДНК и РНК кодируется в форме триплета.
Современные представления о гене
До недавнего времени считалось, что ген – это структурная единица генетической информации, далее неделимая в функциональном отношении, представленная участком молекулы ДНК (реже РНК), который путем транскрипции и трансляции определяет первичную структуру молекулы белка. Однако ряд исследований показал, что ген все же делим и не является единицей мутации и рекомбинации (способен обмениваться любыми частями с гомологичными генами в процессе рекомбинации). Установлено, что воспроизведение и действие генов непосредственно связано с матричными процессами – синтезом макромолекул ДНК, РНК и белков. Определены отличия в организации генетического материала у различных организмов. Так, обнаружено, что для прокариот характерны опероны, считающиеся единицами генетического материала у бактерий.
Оперон может состоять из одного, двух или нескольких тесно сцепленных структурных генов, кодирующих белки (ферменты), и осуществлять последовательные этапы какого-либо метаболизма. Таких оперонов в клетках эукариот нет. У эукариот каждый транскрипт содержит нуклеотидную последовательность только одного структурного гена. Имеются и другие отличия, например отсутствие интронов, экзонов и сплайсинга у прокариот, обнаружены плазмиды (внехромосомные факторы наследственности), установлена способность плазмид встраиваться в ДНК хромосом и многое другое. Все эти факты расширили представления о гене и в целом о генетическом материале клеток.
Современная теория гена опирается на успехи биохимии, молекулярной биологии и молекулярной генетики. Фундаментальные знания о гене стали внедряться в практику для использования на нужды человечества. Многие генетические открытия послужили основой развития биотехнологии, особенно генной и геномной инженерии.
Генетический код
Последовательность нуклеотидов ДНК и информационной (матричной) РНК, определяющую последовательность аминокислот в молекуле белка, называют генетическим кодом. Фактически генетический код является свойственным всем живым организмам шифром, обеспечивающим биосинтез белков. Подобно тому как выражение слова при письме обозначается (кодируется) буквами алфавита, так и последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка обозначается начальными буквами четырех оснований – А, Г, У и Ц (или A, G, U и C): аденин, гуанин, урацил и цитозин. Поскольку код является триплетным, то каждая аминокислота кодируется известным сочетанием из трех расположенных рядом нуклеотидов. Это триплетное сочетание называют кодоном. В узком смысле генетический код – словарь кодонов иРНК (триплетов иРНК), кодирующих те или иные аминокислоты в процессе синтеза белка.
Подсчитано, что число возможных комбинаций из четырех нуклеотидов по три составляет 64. Из 64 кодонов 61 кодирует включение 20 аминокислот, а три кодона – УАА, УАГ и УГА – определяют окончание синтеза полипептидной цепи. Эти кодоны называют стоп-кодонами, или знаками препинания, подобными точке в конце предложения. Стартовым кодоном у эукариот является триплет АУГ, он определяет начало синтеза белка.
Учитывая последовательность нуклеотидов в кодонах и то, что одного тринуклеотида достаточно для связывания на рибосоме иРНК и тРНК, ученым удалось создать кодовый словарь с учетом разных вариантов триплетов у отдельных аминокислот. В таблице аминокислоты обозначены принятым для них сокращением, например фенилаланин – Фен, валин – Вал и т. д.
Примечание. Триплеты УУА, УАГ и УГА не кодируют аминокислоты, а являются стоп-сигналами при считывании.
Одна и та же аминокислота может кодироваться разными (несколькими) триплетами (от 2 до 6), поэтому код является множественным, или вырожденным. Например, триплет ЦЦЦ кодирует аминокислоту пролин. Кроме того, включение пролина в полипептидную цепь может кодироваться триплетами ЦЦУ, ЦЦА, ЦЦГ. Но каждым триплетом кодируется лишь одна аминокислота, поэтому генетическому коду свойственна однозначность.
Установлено, что генетический код не перекрывается, хотя в нем отсутствуют знаки, отделяющие один триплет от другого. При этом один и тот же нуклеотид не может входить в состав двух соседних триплетов. Отмечается также, что код представлен «без запятых», поэтому, если произойдет выпадение какого-то нуклеотида, на его место встанет ближайший нуклеотид из соседнего кодона.
Важно отметить, что триплетный код РНК является универсальным для всех организмов, существующих на Земле. Свойство универсальности кода позволяет сделать важный мировоззренческий вывод о единстве происхождения всех живых организмов – прокариот, эукариот и вирусов.
Таким образом, триплетный код генетической информации обладает важными свойствами, обеспечивающими механизм биосинтеза белка в клетке. Триплетный код был расшифрован в 1961 году биохимиками Хааром Гобиндом Кораной, Маршаллом Ниренбергом и Робертом Холли. За эти уникальные исследования в 1968 году им была присуждена Нобелевская премия.
Назовем еще раз свойства генетического кода.
Генетический код триплетен, множествен (вырожден), однозначен – каждый кодон кодирует лишь одну аминокислоту, неперекрываем, непрерывен (внутри гена нет «знаков препинания»), считывается с фиксированной точки однонаправленно (5′ → 3′), универсален, то есть един для всех организмов на Земле.
