Тонкая структура гена

История открытия гена и его структуры

Проблема гена — центральная проблема генетики. Понятие гена как дискретной единицы, выявленной разработанным Г. Менделем методом гибридологического анализа, ввел В. Иоганнсен в 1909 г. Он не связывал это понятие с какими-либо гипотезами о его сущности и материальной природе.

В последующий период сами гены — участки молекул ДНК — стали объектами и «рабочими инструментами» генной инженерии и биотехнологии. Расшифрована первичная структура многих тысяч генов, выяснены основные черты и особенности их строения у разнообразных объектов. Эти сведения хранятся в компьютерных банках информации, пополняемых и используемых учеными всего мира.

В настоящее время ген определяют как участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов — РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК либо взаимодействующий с регуляторным белком.

Согласно представлениям классической генетики долгое время господствовало мнение, что ген — неделимая единица функции, рекомбинации и мутирования. Гены уподобляли бусинкам, соединенным каким-то образом в хроматиде хромосомы. Эти взгляды базировались на основных критериях аллелизма (рекомбинационном и функциональном), при помощи которых мутационные изменения относили к одному и тому же или к разным генам. В частности, рекомбинационный критерий аллелизма гласил: если мутации не рекомбинируют, то они аллельны, т. е. затрагивают один и тот же ген.

В 1928 г. Н. П. Дубинин при изучении открытого им явления ступенчатого аллелизма у дрозофилы, проводимом в лаборатории Л. С. Серебровского, сформулировал идею о сложной структуре гена как о материальной системе, в которой отдельные части представлены материальными субструктурами. На основе изучения у дрозофилы ступенчатого аллеломорфизма локуса sc-ac (.scute-achaete), который контролирует развитие щетинок, впервые удалось построить линейный план гена sc-ac. Кроме того, Н. П. Дубининым был сделан вывод о том, что ген sc-ac состоит из более мелких элементов — центров. Предполагалось, что в случае мутирования изменяется не весь ген, а лишь отдельные его центры.

На основании результатов проведенных исследований была сформулирована центровая теория гена, согласно которой ген состоит из отдельных функциональных участков — центров, способных независимо изменяться при мутациях.

Большой вклад в изучение структуры и функции гена внесли в начале 1940;х гг. Дж. Билл и Е. Тэйтум, впервые обнаружившие биохимические мутации у нейроспоры (N. crassa). Ими был выдвинут прин1щп «один ген — один фермент», означавший, что каждый ген контролирует синтез какоголибо фермента. Этот принцип определи;! дальнейшую методологию исследования, согласно которой необходимо изучать не только мутанты и соответствующие гены, но и контролируемые ими белки-ферменты. Это дало начало новому направлению в генетике — разработке систем «генфермент», что способствовало конкретизации представлений о гене, его структуре и функции.

В 1955;1961 гг. американский генетик С. Бензер с сотрудниками детально изучили тонкую структуру фага Т4, поражающего кишечную палочку. Они провели анализ молекулярного строения области гП в хромосоме бактериофага Т4 и представили картину сложного строения гена на уровне молекул ДНК. В ходе экспериментов были сопоставлены размерности генетической карты бактериофага и молекулярных структур, ответственных за хранение и передачу наследственной информации, т. е. нуклеотидных пар молекулы ДНК. Проведя расчеты, исследователи пришли к выводу, что минимальный участок, изменяющийся в результате мутации, состоит из нескольких нуклеотидов. С. Бензер ввел ряд терм шов: цистрон — генетическая единица функции (синоним гена), мутон — единица мутации, рекой — единица рекомбинации.

Дальнейшие исследования показали, что рекомбинация может разделять соседние пары нуклеотидов и что наименьший участок ДНК, который изменяется при мутировании, — это пара нуклеотидов. По этой причине введенные С. Бензером термины мутон и рекон не получили широкого распространения.

Несомненным достижением работы С. Бензера с сотрудниками была также разработка метода перекрывающихся делеций для внутригенного картирования, благодаря чему появилась возможность «насыщать» генетическую карту мутациями. В пределах двух генов {А и В) локуса гП ими было картировано более 2 000 мутаций. Для точной локализации такого числа мутаций методом парных скрещиваний мутантов потребовалось бы провести около 2 млн скрещиваний, что практически невозможно. Использование же делеций при картировании позволило заменить количественный учет частоты рекомбинации качественным тестом (при скрещивании точкового и делеционного мутантов рекомбинанты могут появиться только в том случае, если деления не перекрывает участок, в котором локализована точковая мутация).

Итак, ген — это последовательность нуклеотидов, которая выполняет определенную функцию в организме, например последовательность нуклеотидов, кодирующая полипептид тРНК или обеспечивающая транскрипцию другого гена.

Структурной единицей мутации и рекомбинации гена является одна пара нуклеотидов (или один нуклеотид в случае геномов, состоящих из одноцепочечных ДНК или РНК). Для обозначения локализации мутаций в пределах гена применяют термин сайт (англ, site — место; биохимически активный центр). Он включает одну пару нуклеотидов.

Размер генов, контролирующих синтез разных белков, неодинаков. Он зависит от числа молекул аминокислот, входящих в синтезируемую полипептидную цепь. Как уже отмечалось выше, на каждую аминокислоту приходится по три пары нуклеотидов ДНК, т. е. по одному кодону мРНК. Размеры полипептидов варьируют в широких пределах: число составляющих их аминокислот колеблется от 50 до нескольких тысяч. Следовательно, количество пар нуклеотидов, входящих в гены, контролирующие синтез белков, варьирует в диапазоне от 150 до нескольких тысяч. Одни из самых коротких — гены, кодирующие тРНК. Молекулы всех прокариотических и эукариотических тРНК содержат около 80 нуклеотидов и характеризуются очень сходными вторичной и пространственной структурами, которые можно схематически представить в виде конфигурации клеверного листа. Но имеются и очень длинные гены. Средний размер кодирующего участка гена составляет примерно 1 200 пар нуклеотидов. Таким образом, ген — очень сложная структура.