Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

Э. Виткин (1951) с помощью ультрафиолетового излучения получала

мутации Е. coli: облученные клетки приобретали способность сбра-

живать лактозу (Lac

), и колонии окрашивались в темный цвет

(отличие от исходного светлого штамма Lac

). Причем, если при

облучении в клетке был только один нуклеоид и в нем возникла му-

тация, то темнела вся колония. Если же облучение производилось

в лаг-фазе, половина колонии оставалась светлой при условии, что

мутация произошла в одном из двух нуклеоидов. При облучении на

стадии экспоненциального роста, если мутация возникла лишь в од-

ном из четырех нуклеоидов, колония приобретала секторный вид

(рис. 28). Это послужило доказательством связи генетического про-

цесса с ядерными массами.

Эксперименты X. Френкель-Конрата, проведенные в 1956 г. с виру-

сом табачной мозаики, позволили выяснить, какой компонент вируса

(нуклеиновая кислота или белок) несет наследственную информа-

цию. Если растениям табака ввести не сам вирус табачной мозаики,

а его белок, то оказывается, что он не влияет на растение. Если же

табак заразить РНК-вой частью вируса, на листьях развивается та-

бачная мозаика (рис. 29). Следовательно, можно сделать вывод, что

РНК (и только РНК) инфекционна для растений. Предположение

о генетической роли нуклеиновой кислоты было подтверждено in-vitro

при гибридизации частей вируса. В пробирке смешивались предва-

рительно разделенные химическим путем РНК вирулентного штамма

и белок от слабовирулентного штамма вируса табачной мозаики. По-

лученный новый штамм обладал резко выраженной вирулентностью.

Интересно заметить, что белок потомства смешанного вируса в хи-

мическом отношении был подобен белку того штамма, от которого

бралась РНК (рис. 30).

Таким образом, с помощью микроорганизмов была установлена

не только связь между ядерными массами и наследственностью, но

и генетическая роль нуклеиновых кислот.

Способы передачи наследственной информации у бактерий

Большое значение для выяснения химической природы генов

и доказательства генетической роли ДНК имели опыты Ф. Гриффитса

по заражению мышей возбудителем пневмонии, проведенные в 1928 г.

Он использовал два штамма пневмококка: вирулентный штамм 5

(клетки его имеют полисахаридную капсулу и дают гладкие колонии)

и невирулентный штамм R (клетки не обладают капсулой и образуют

шероховатые колонии). Заражение мышей вирулентным штаммом

вызывало их гибель. При инъекции невирулентного штамма мыши

не болели. Пневмония у них не развивалась и после введения виру-

лентного штамма, убитого нагреванием. Однако, если мышам вводил-

ся одновременно убитый штамм S и живой штамм /?, через некоторое

время они погибали от пневмонии, а при посеве их крови были выде-

лены не только бактерии штамма /?, но и живые капсульные пневмо-

кокки 5 (рис. 31). Это означало, что свойства убитого вирулентного

штамма как бы перешли к жи-

вому невирулентному. Явление

превращения одного бакте-

риального штамма в другой

было названо трансформацией.

Природу его удалось выяснить

в 1944 г. американскому уче-

ному О. Эвери. При постановке

in vitro аналогичного экспе-

римента с пневмококками (рис.

32) он разделил культуру

вирулентного пневмококка на

две фракции (одна из нихсодер-

жала только ДНК, другая — все

компоненты клетки, кроме ДНК)

и отдельно вносил их в куль-

туру бактерий штамма R. Транс-

формация бактерий происхо-

дила лишь после добавления

первой фракции. Эвери вы-

делил из культуры капсуль-

ных пневмококков в очищен-

ном виде фактор, способный

превращать бескапсульные

бактерии R в капсульные S.

Этот фактор оставался активным и после ферментативной обработки,

разрушающей белки, липиды, капсулу. Он инактивировался лишь

одним ферментом — дезоксирибонуклеазой, расщепляющей только

ДНК. Следовательно, ДНК и является трансформирующим факто-

ром. Так было получено первое доказательство генетической роли

нуклеиновых кислот. Однако это открытие не сразу привлекло всеоб-

щее внимание, поскольку в то время было мало известно о хими-

ческой природе генов, о структуре белков и ДНК- Тем не менее откры-

тие Эвери явилось стимулом для более детального изучения нуклеино-

вых кислот и получения более убедительных доказательств ее гене-

тической роли. В результате было установлено, что механизм транс-

формации у бактерий сводится к включению вещества хромосомы

одной бактерии (донора) в хромосому другой (реципиента) и служит

одним из способов обмена генетической информацией (рис. 33).

Предполагается, что фрагмент чужеродной ДНК проникает в клетку,

вследствие чего она временно становится частично диплоидной.

В процессе деления клетки этот фрагмент используется на построение

дочерней хромосомы и в дальнейшем существует в качестве ее эле-

мента.

Прежде считалось, что генетическая трансформация свойственна

только одноклеточным. В настоящее время установлено, что яв-

ления, напоминающие генетическую трансформацию, могут проис-

ходить и в клетках эукариот. Так, в результате взаимодействия

некоторых вирусов с клетками животных последние подвергаются

трансформации. Полученная ими новая генетическая информация

Эвери Освальд Теодор

(1877-1955).

Рас. 33. Предполагаемый механизм транскрипции:

1 — внедрение чужеродной ДНК в бактериальную клетку; 2 — состояние временной диплоидности в

клетке; 3— репликация; 4 — дочерние клетки, в хромосому одной из которых включился фрагмент

ДНК.

устойчиво передается дочерним клеткам при последующих делениях.

В 70-х годах группа ученых (М. Друммонд, М. Гордон, Е. Нестер,

М. Хилтон) Вашингтонского университета наблюдала процесс пере-

носа фрагмента определенной плазмиды 77 из бактериальной клетки

онкогенного штамма в растительную клетку ткани табака и после-

дующее его копирование в клетках опухоли. Получены также неоспо-

римые доказательства существования генетической трансформации

в клетках млекопитающих. Дж. Берг и В. Мак-Брайд при культиви-

ровании клеток мыши в среде с изолированными хромосомами клеток

человека выделили потомство клеток с маркерами последнего. На

основании этого они пришли к выводу, что в геном реципиента

включается лишь небольшой участок хромосомы донора (около 2 %).

Пока мало известно о характере связи между геномом реципиента

и фрагментом хромосомы донора, но, несомненно, связь эта довольно

прочная — клетки мыши не теряли приобретенные свойства даже при

выращивании их в неселективных условиях.

В 1952 г. Н. Циндер и Дж. Ледерберг описали еще один способ

передачи наследственной информации у бактерий. Исследования про-

водились на бактериях мышиного тифа Salmonella fyphimurium.

В U-образную трубку с бактериальным фильтром посередине засе-

вались на полную питательную среду 2 штамма (рис. 34): в одну

часть пробирки — штамм 22А (ауксотрофный по мутации, тормо-

зящей синтез триптофана Т~\ это требовало добавления данной

аминокислоты в среду для культивирования), в другую—штамм

2А дикого типа (способен синтезировать триптофан Г+). Совместное

выращивание двух штаммов бактерий мышиного тифа привело к то-

му, что через некоторое время после посева их на минимальную среду

бактерии штамма 22Л дали небольшое количество колоний. Следо-

вательно, они каким-то образом приобрели способность синтезиро-

вать триптофан. Переход бактерий из одного колена пробирки в дру-

гое преграждался бактериальным фильтром, а возможность обратной

мутации штамма 22Л исключалась, так как он был стабильным в этом

отношении. По мнению Циндера

и Ледерберга, перенос инфор-

мации осуществлялся фагом.

Штамм 24 оказался лизогенным

по фагу, который из умеренного

в силу каких-то причин превра-

тился в паразитический и при за-

ражении новых бактерий перенес

в них часть фрагмента ДНК с

геном, контролирующим синтез

триптофана. Бактериальный

фильтр не послужил преградой

для вирусов, так как размеры

их очень малы и они могут фильт-

роваться.

Явление переноса наследствен-

ной информации бактериофагом

от одних бактерий к другим на-

зывается трансдукцией. Механизм

трансдукции еще недостаточно

изучен. Предполагается, что фраг-

мент чужеродной ДНК вначале

самостоятельно реплицируется, а затем путем рекомбинации вклю-

чается в хромосому клетки-реципиента (рис. 35). Трансдукция

в настоящее время детально изучается в связи с вопросами генной

инженерии и может рассматриваться в качестве одного из путей

переноса наследственной информации от клетки к клетке.

В 1946 г. Дж. Ледерберг и Е. Татум при совместном выращивании

в течение ночи двух ауксотрофных комплементарных штаммов

кишечной палочки (Met~ Bio~ Thr

Leu + и Met

Bio+ Thr~ Leu~)

получили культуру Met^~ Bio+ Thr+ Leu

, которая в отличие от

исходных штаммов оказалась способной расти на минимальной

питательной среде без добавления метионина, биотина, триптофана

и лейцина (рис. 36). Трансформации и трансдукции здесь явно не бы-

ло. При наличии бактериального фильтра в сосудах, где выращива-

лись культуры, взаимного обмена информацией не наблюдалось.

Очевидно, существовал какой-то иной очень тесный контакт между

бактериями. На основании этого впервые было высказано предполо-

жение о возможности у бактерий полового процесса. Половой процесс

у бактерий, при котором осуществляется перенос генетической инфор-

мации при тесном контакте клеток, был назван конъюгацией. Впо-

следствии удалось получить микрофотографии конъюгирующих бак-

терий кишечной палочки (рис. 37). Передача информации при

конъюгации носит односторонний характер. В 1952 г. Б. Хейс обна-

ружил, что при конъюгации одна из клеток (мужская F+) служит

донором, другая (женская F~)—реципиентом. Донорная клетка не-

сет специфическую плазмиду, называемую фактор F (фрагмент мо-

лекулы ДНК длиной около 10 пар нуклеотидов; см. гл. 1). Реципиенты

этого фактора не имеют. В 1956 г. Е. Вольман и Ф. Жакоб детально

1 J 4

Рис. 35. Механизм трансдукции:

1 — клетке штамма Arg

, лизогенная по фагу; 2 — лизис клетки; 3 — заражение клетки штамма Arg~

фагом с геном Arg

\4 — превращение клетки Arg~ в лизогенную по фагу клетку Arg

изучили механизмы конъюгации и переноса генетической информа-

ции при половом процессе у Е. coli и установили, что при конъюгации

фактор F может переходить из мужской клетки в женскую и превра-

щать ее в При этом другие свойства бактериальной клетки не

изменяются. Передача полового фактора происходит как бы незави-

симо от других генетических маркеров. Клетки штаммов F~ внутри

себя не рекомбинируют. Клетки штаммов F

могут конъюгировать,

но рекомбинатов при этом оказывается очень мало. При конъюгации

типа F+ XF~ появляется относительно большое число рекомбинатов,

примерно 1 на 10

клеток.

Среди клеток F

обнаружены клетки, способные к особенно

высокой частоте рекомбинаций. Их называли Hfr-клетками. (High

frequency of recombination). Они образуются из штамма F

в ре-

зультате включения половой плазмиды F в бактериальную хромо-

сому по типу прямой мутации /

-*- Hfr (рис. 38). При этом половой

фактор не утрачивается и в случае обратного мутирования Hfr-+F

свойства донорства последней восстанавливаются. Частота рекомби-

наций в клетках типа Hfr\F~ достигает 1 на 10 исходных. Но при

этом женские клетки обычно не приобретают свойства F

. В случае

конъюгации данного типа в мужской клетке происходит разрыв хро-

мосомы вблизи места локализации полового фактора и хромосома

переходит в реципиентную клетку. При этом сам половой фактор

в женскую клетку попадает редко, поскольку располагается на

противоположном конце хромосомы. Размер участка хромосомы,

переместившегося в женскую клетку, зависит от продолжительности

конъюгации (рис. 39).

Таким образом, половой фактор является саморедуплицирую-

щимся генетическим элементом, способным существовать в двух

состояниях: автономном и интегрированном в хромосому.

При обратной мутации половой фактор у бактерий может вновь

приобрести автономное состояние (рис. 40). Освобожденный из

хромосомы, подобно профагу, он иногда захватывает фрагмент

бактериальной хромосомы, прилегающий к нему, и при конъюгации

вместе с ним переходит в женскую клетку, сообщая ей свойства до-

норной клетки и некоторые другие свойства, контролируемые фраг-

ментом хромосомы. Такой процесс переноса наследственной инфор-

мации из одной бактериальной клетки в другую посредством полово-

го фактора называется сексдукцией.

Итак, у бактерий существуют два типа обмена наследственной

информацией: половой процесс Hfr

y^F~ и сексдукция)

и бесполый (трансформация и трансдукция). Они и обусловливяют

образование генетических рекомбинатов.

Генетический код

После того как в результате исследований, проведенных на

микроорганизмах, были получены доказательства генетической роли

ДНК, необходимо было выяснить, как осуществляется запись на-

следственной информации, каковы конкретные закономерности коди-

рования отдельных аминокислот азотистыми основаниями, как одна

система записи информации (ДНК) переводится в другую (белок),

как регулируется этот процесс.

Основным постулатом классической генетики первоначально было

утверждение «один ген — один признак», т. е. ген как наименьшая

структурная единица хромосомы контролирует формирование одного

признака.

В 1908 г. А. Гэрроу высказал предположение, что некоторые

наследственные болезни человека связаны с отсутствием у него того

или иного фермента и назвал их врожденными ошибками метаболиз-

ма. Он описал наследственную патологию обмена фенилаланина —

алькаптонурию — сравнительно безобидное изменение обмена, при

котором накапливается гомогентизиновая кислота вследствие нару-

шения ее метаболизма. Эта кислота выводится из организма с мочой

и на воздухе приобретает черную окраску. При другом нарушении

в цепи превращения фенилаланина — фенилкетонурии — фенила-

ланин не расщепляется и, поступая в кровь, вызывает серьезные

дефекты умственного развития. Образование фермента, ответствен-

ного за каждый участок обмена фенилаланина, контролируется

определенным геном. Так, синтез фермента на участке фенилала-

нин-^тирозин детерминируется геном дикого типа А, а у гомозитог

аа фермент, осуществляющий превращение фенилаланина в тирозин,

не синтезируется:

меланин/ лигмемт ложи/

фонилкетонурия j < алобинизм

фенилаланин —* тирозин —оксифенилпировиноградная /<ис -

лота —гомоген/77изинобая ни с лот а малеимацетоуксусная

пиелита

^^ СО2 алькаптонурия

В связи с этим постулат «один ген — один признак» был заме-

нен на постулат «один ген — один фермент», означающий, что ген

контролирует синтез одного какого-либо фермента. Этот постулат

был подтвержден исследованиями Дж. Бидла и Е. Татума в 1941 г.

Они на примере около 500 мутантов хлебной плесени — нейроспоры

(Neurospora crassa), собранных за 10 лет, установили, что каждый

из мутантов не может синтезировать лишь одну какую-либо

аминокислоту или витамин. Отсюда следовало, что ген контролирует

синтез не только ферментов, но и неферментных белков, и постулат

был видоизменен: «один ген — один белок».

Известно, что многие белки состоят из нескольких полипептидных

цепей. Эти цепи иногда бывают одинаковыми по аминокислотному

составу, и тогда они контролируются одним и тем же геном. Но су-

ществуют белки, в состав которых входят полипептидные цепи

с разными и количеством и последовательностью аминокислотных

остатков. В таком случае более точным будет постулат «один ген -

одна полипептидная цепь». Он означает, что ген контролирует после-

довательность расположения аминокислот в полипептидной цепи.

Так, у человека мутация гена гемоглобина вызывает замену одной

аминокислоты в одной из [3-цепей (в молекуле гемоглобина 4 цепи:

2а и 2(3, содержащие соответственно по 141 Х2 и 146X2 аминокис-

лот), в результате чего изменяется форма эритроцита (он становится

серпо- или дисковидным). Это приводит к тяжелейшему малокровию.

Данная мутация доминантна, и лица, гомозиготные по ней, по-

гибают.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что

признак — это совокупность ряда белковых молекул. Белок подобен

тексту, напечатанному 20-буквенным алфавитом. Содержание текста

зависит от последовательности букв. Свойства белка определяются

его первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот

в белковой цепи. Сегодня уже прочитаны многие белковые тексты.

Так, выяснилось, что молекула адренокортикотропина содержит 39

аминокислотных остатков и они в первых 24 положениях у ряда мле-

копитающих одинаковые, а в 25—39-м положениях — различные

(табл. 2).

Таблица 2. Аминокислотный состав

фрагмента молекулы адренокортикотропина

у некоторых домашних животных

Порядок чередования и количества аминокислот в белковой мо-

лекуле контролируются своеобразной системой записи наследствен-

ной информации в ДНК, так называемым генетическим кодом. Идея

о его существовании зародилась в 1953 г. после расшифровки

структуры ДНК. Дж. Уотсон и Ф. Крик высказали предположение,

что наследственная информация записана в молекуле ДНК в виде

последовательности нуклеотидов, определенные сочетания которых

кодируют соответствующие аминокислоты в молекуле белка. После-