Этапы становления генетики. Вклад отечественных и зарубежных ученых в развитие генетики

    Этапы становления генетики. Вклад отечественных  и зарубежных ученых в развитие генетики 

    Явление наследственности требует для своей  реализации существования специфических  носителей наследственной информации, т.е. специфического генетического  материала, который должен обладать способностью к ауторепродукции (репликации, редупликации) и способностью к программированию основных биосинтетических процессов, протекающих в клетке. У большинства  организмов, в т.ч. и у человека, генетическим материалом служат дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), составляющие основной компонент  хромосом клеточных ядер.

    Наиболее  важной для практических задач здравоохранения  областью генетики человека является медицинская генетика. Иногда ее рассматривают  не как раздел генетики человека, а  как самостоятельную область  общей генетики. Медицинская генетика исследует распространение, этиологию, патогенез, течение наследственных болезней, разрабатывает системы  диагностики, лечения, профилактики и  реабилитации, больных наследственными  болезнями и диспансеризации  их семей, а также изучает роль и механизмы наследственной предрасположенности  при заболеваниях человека. Однако большое значение для медицины имеют  и другие генетические дисциплины. Прежде всего, это связано с биологической  универсальностью фундаментальных  законов и положений генетики, впервые установленных на экспериментальных  объектах и подтвержденных клиническими наблюдениями и исследованиями для  человека.

    Наряду  с этим многие данные экспериментальной  генетики существенны для медицины непосредственно с точки зрения разработки методов диагностики, лечения  и профилактики болезней, например, при массовой диагностике наследственного  дефекта обмена веществ человека — фенилкетонурии широко применяется генетический тест на специальных штаммах сенной палочки Bacillus subtilis. Разработка широкого спектра современных антибиотиков возможна только на основе глубокого изучения частной генетики микроорганизмов — продуцентов антибиотиков и применения генетических методов их селекции, а с недавнего времени и методов генетической инженерии по конструированию микроорганизмов с заданными свойствами. Методы генетической инженерии и биотехнологии, основанные на генетических подходах, находят применение и при получении in vitro в промышленных количествах таких препаратов, как инсулин человека, интерферон человеке, ряд других физиологически активных веществ.

    Исторически современной медицинской генетике предшествовало распространившееся во второй половине 19 в. и первой половине 20 в. общественное течение, известное как «евгеника», сочетающее в себе теорию и практические мероприятия по «улучшению» человеческого рода. Теоретически евгеника базировалась на реальных фактах наследственной обусловленности нормальных и патологических признаков человека, а практически осуществлялась в ряде стран (гитлеровской Германии и др.) как антигуманное признание в законодательном порядке некоторых категорий населения социально неполноценными и осуждаемыми, поэтому на принудительную стерилизацию. При этом евгенисты необоснованно приравнивали наследственную обусловленность неблагоприятных признаков к неизбежности, фатальности их развития и распространяли на репродукцию человечества этически неприемлемые принципы селекции сельскохозяйственных растений и животных, пытаясь теоретически обосновать своего рода «человеководство».

    Методы, используемые генетикой, можно условно  разделить на две группы — собственно генетические методы и методы смежных  биологических и медицинских  дисциплин, применение которых в  генетике обусловлено изучаемыми наследственными  признаками — биохимическими, анатомическими, физиологическими, психическими и др. Центральное место среди собственно генетических методов занимает генетический анализ: комплексный метод, предназначенный  для выявления закономерностей  передачи от родителей к потомкам тех или иных признаков и проявления их в онтогенезе. Главным принципом генетического анализа является количественный учет изучаемых признаков в группах особей, связанных между собой определенными степенями родства. В экспериментальной генетике это достигается с помощью систем скрещиваний и гибридологического анализа, в медицинской генетике — с помощью генеалогического анализа.

    К специальным видам генетического  анализа относится хромосомный  анализ, при котором изучение становления  структурно-функциональных признаков  организмов сочетается с анализом структуры  и поведения отдельных хромосом. В связи с развитием методов  генетической инженерии и биотехнологии  возможности анализа генетических структур и процессов на молекулярном уровне существенно расширились. Генетический анализ широко использует статистические (биометрические) методы, без которых  невозможно достоверно установить характер передачи наследственной информации.

    В процессе становления генетики как  науки можно выделить несколько  этапов. До конца 19 в. в биологии выдвигались различные гипотезы о природе наследственности и изменчивости; основными предпосылками для формирования научных представлений об этих явлениях послужили данные наблюдений о сущности полового размножения у животных и растений, результаты опытов по гибридизации растений и развитие учения о клетке. Основы современных представлений о наследственности и изменчивости организмов были впервые изложены чешским исследователем Менделем (G.J. Mendel) в 1865 г. Мендель установил основные закономерности поведения наследственных признаков в гибридном потомстве. Он сделал вывод, что формирование каждого наследственного признака определяется парой материальных наследственных задатков, один из которых организм получает от матери, другой — от отца, а конкретная реализация признака определяется взаимоотношениями доминантности (преобладания) — рецессивности (подавления) между материнским и отцовским задатками; при созревании половых клеток в каждую отдельную клетку попадает только по одному гену от каждой пары генов. Совокупность эмпирических и теоретических положений Менделя получила название «менделизм». В начале 20 в. опыты ботаников, зоологов и наблюдения врачей, проведенные независимо друг от друга, показали универсальное значение принципов менделизма для живой природы и человека.

    Важнейшим шагом в развитии генетики стад морганизм, построение Морганом (Th. Н. Morgan) и его сотрудниками в 1910—1915 гг. хромосомной теории наследственности, согласно которой гены располагаются на хромосомах в линейной последовательности и воспроизводятся при клеточных делениях, а парные хромосомы могут обмениваться своими участками (явление кроссинговера), что приводит к рекомбинации генетического материала. Следующим шагом было установление химической природы хромосомных генов. Советский генетик Н.К. Кольцов одним из первых развил представление об их макромолекулярной природе (1927 г.), а Н.В. Тимофеев-Ресовский с соавторами в середине 30-х гг. 20 в. вычислил примерный объем гена. В 1944 г. Эйвери (О.Т. Avery) с соавторами показал, что генетический материал представляет собой ДНК. В 1953 г. Уотсон (J.D. Watson) и Крик (F.Н.С. Crick) предложили модель строения ДНК, механизм ее репродукции и мутирования, а несколько позже создали теорию универсального генетического кода (см. Ген), с помощью которого генетическая информация, зашифрованная в ДНК, реализуется в структуре белка. Эти открытия означали переход генетики на молекулярный уровень исследования.

    В самом начале 20 в. де Фризом (Н. de Vries) была сформулирована мутационная теория, хотя экспериментальное получение мутаций долгое время не удавалось. Впервые в 1925 г. советские микробиологи Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов показали, что после облучения дрожжевых клеток ионизирующим излучением возникают разнообразные радиорасы, свойства которых воспроизводятся в потомстве. В 1927 г. Мёллер (Н.J. Muller) в точных опытах на дрозофилах с учетом дозы облучения установил возникновение новых наследственных мутаций. Позже И.А. Рапопорт и Ауэрбах (Ch. Auerbach) открыли явление мутагенеза под влиянием химических веществ. Теперь известно, что в окружающей нас природной и особенно техногенной среде содержится много разнообразных химических, физических и биологических факторов (мутагенов), способных вызывать мутации у всех живых организмов, включая человека (см. Мутагенез). Эти мутации могут быть и патологическими. К концу 80-х годов 20 в. у человека выявлено свыше 4 тысяч мутантных фенотипов. Особое значение для слежения за частотой мутирования приобрел анализ появления мутаций по белкам крови. Мутационный анализ позволил изучить структуру гена гемоглобина и другие важные особенности строения, функции и организации генетического материала у человека.

    В начале 20 в. датский генетик Иоганнсен (W. Johannsen) сформулировал понятия «генотип» — совокупности наследственных задатков и «фенотип» — совокупности их проявлений; советский биолог И.И. Шмальгаузен ввел понятие «норма реакции генотипа», в пределах которой может варьировать его проявление в генотипе в ответ на изменение условий среды; советскими генетиками Б.Л. Астауровым и Н.В. Тимофеевым-Ресовским в 20—30-е гг. 20 в. были разработаны представления о комплексной обусловленности признаков организма взаимодействием генотипических, внутриорганизменных и внешнесредовых факторов. В 1944 г. американские генетики Бидл (G.W. Beadle) и Тейтем (Е.L. Tatum), обобщив опыт изучения биохимических мутантов у микроскопических грибов, предложили гипотезу о регуляции генами синтеза ферментов, выражаемую принципом «один ген — один фермент», что перевело феногенетику на биохимический, а затем и на молекулярный уровень.

    В 20-е гг. 20 в. параллельно и независимо друг от друга советским ученым С.С. Четвериковым, английскими учеными  Фишером (R. Fisher) и Холдейном (J. В.S. Haldane) и американским ученым Райтом (S. Wright) были заложены основы популяционной генетики, сформулировано представление о генетической гетерогенности популяций, о роли системы скрещивания, колебаний численности, миграций организмов, мутаций репродуктивной изоляции и естественного отбора в изменениях генотипического состава популяций и их эволюции. Позже популяционная генетика составила основу так называемой синтетической теории эволюции.

    Современная генетика характеризуется углублением  всех ее разделов до молекулярного  уровня исследования, развитием сети междисциплинарных подходов, особенно в контакте с физико-химической биологией, кибернетикой, проникновение генетической методологии и подходов во все  биологические науки, а также  в антропологию и общую патологию  человека.

    Первостепенной  задачей генетики стали оценка и  последующее длительное динамическое слежение (мониторинг) за возможными отрицательными генетическими последствиями применения химикатов и других техногенных  факторов, присутствующих в окружающей среде, как для самого человека, так  и для животных, растений и микроорганизмов  экологической среды человека. Значение генетического мониторинга факторов окружающей среды тем более велико, что мутагенез наряду с тератогенезом и канцерогенезом составляет основной комплекс отдаленных опасных последствий повышения концентрации биологически активных факторов в биосфере. Поэтому генетико-гигиеническое нормирование содержания подобных факторов в окружающей среде является обязательным компонентом профилактики заболеваемости человека.

    Генетика  человека на этапе ее становления  обозначалась в нашей стране в  духе времени – евгеникой. Обсуждение возможностей евгеники, совпавшее по времени со стартом и быстрым  развитием генетических исследований в России, опиралось на традиции русской медицины и биологии [1, 2]. Это обстоятельство сделало русское  евгеническое движение уникальным: его  деятельность, направляемая Н.К. Кольцовым  и Ю.А. Филипченко, строилась вокруг исследовательской программы Ф. Гальтона [3], целью которой было раскрытие фактов наследственности человека и относительной роли наследственности и среды в развитии различных признаков. Другие же национальные движения (кроме французского, занимавшегося пуэрикультурой, охраной младенчества и материнства) ставили в центр интересов программу социальных действий Ф. Гальтона, с негативным и позитивным направлениями, имеющая целью улучшение человеческого племени. Н.К. Кольцов, Ю.А. Филипченко и их последователи занимались обсуждением проблем генетики человека и медицинской генетики, включая популяционный аспект проблемы. Благодаря этим особенностям русского евгенического движения, в 30-х годах был создан прочный фундамент медицинской генетики.

    Важным  шагом к оформлению медицинской  генетики как автономной области  исследований явилось решение целого ряда просветительских задач и образования  весной 1928 г. Общества по изучению расовой  патологии и географического  распределения болезней. Новое общество, обладая широким кругом интересов, представляло собой эскиз будущего Медико-генетического института. Его  основал некоторое время спустя Соломон Григорьевич Левит (1894–1938).

    В 1930 г. Кабинет был расширен до Генетического  отделения при Медико-биологическом  институте, и том II "Трудов" открывался статьей Левита "Человек как  генетический объект и изучение близнецов  как метод антропогенетики" [5]. Левит стал директором института  и переориентировал его на генетику человека. Тогда же МБИ им. М.Горького разместился в новом роскошном комплексе зданий в стиле конструктивизма на Калужской, напротив загородной усадьбы, где теперь находится Президиум РАН. История института еще не написана, освещены лишь отдельные аспекты его работы [6].

    Медико-биологический  институт с осени 1932 г. (после 8-месячного  перерыва) снова "сосредоточился на разработке проблем биологии, патологии  и психологии человека путем применения новейших достижений генетики и смежных  дисциплин (цитологии, механики развития, эволюционного учения). Основные работы Института пошли по трем руслам: клинико-генетическому, близнецовому и цитологическому" [7].

    К концу 1933 г. институт располагал отделениями: 1) генетики, 2) цитологии, 3) экспериментальной  патологии, 4) внутренних болезней; кабинетами: 5) психиатрии, 6) одонтологии, 7) психологии, 8) конституции и биометрии; рядом  обслуживающих научную работу кабинетов: рентгеновским, физиотерапевтическим, патологоанатомическим и др. Планировалась  организация всех разделов клинической  медицины (глазные, ушные болезни  и др.); расширение психологического кабинета (где работал знаменитый А.Р.Лурия, фрейдомарксист и сторонник идеи о человеке как чисто социальном существе); превращение кабинета конституции в антропологическое отделение. Таким образом, С.Г.Левит, поначалу сузив направление МБИ, теперь возвращал институту те отделы, которые были при В.Ф. Зеленине (клинический, физиологический, биохимический, патофизиологический, эндокринологический), но ставил их на новый мощный теоретический фундамент.

    Работы 1934 г. и начала 1935 г. составили 4 том "Трудов МГИ". Том открывался работой Левита "Проблема доминантности у человека" [9]. В ней был доказан факт резкой фенотипической вариабельности большинства патологических мутантных генов человека. Левит пришел к выводу, что патологические гены человека являются, в своем большинстве, условно доминантными и отличаются низким проявлением в гетерозиготе. Этот вывод Левита противоречил теории эволюции доминантности Рональда Фишера, согласно которой вновь возникающие мутантные гены рецессивны. Однако в свете работ школы С.С.Четверикова и С.Н.Давиденкова 20-х и 30-х гг. следует признать гипотезу Левита более адекватной. Сотрудники МБИ перевели на русский язык пионерскую книгу Фишера "Генетическая теория естественного отбора" [10], включавшую изложение его теории эволюции доминантности, но изъяли из перевода евгенические главы. К этому переводу проявлял интерес автор; материалы книги широко обсуждались и серьезно комментировались.