Мутационный процесс и становление генетики

После открытия и расшифровки структуры ДНК, физической базы генов (1953 г.), с середины 1960-х г. началось восстановление генетики. Министр просвещения РСФСР В.Н. Столетов инициировал широкую дискуссию между лысенковцами и генетиками, в результате было опубликовано много новых работ по генетике.   Таким образом, отечественные исследователи  внесли значительный вклад в развитие такого раздела биологии как генетика. Этот вклад мог бы быть еще более  весомым, если бы им были созданы столь  же благоприятные условия для разработки собственных оригинальных идей, как и зарубежным генетикам.

 

Глава 2. Основные положения мутационной  теории

2.1. Мутационная теория и становление менделизма  

Основателем генетики по праву считается Грегор Иоганн Мендель (1822-1884). В 1865 г. этот моравский монах-августинец на заседании Брюннского общества естествоиспытателей сделал доклад о своих опытах над растительными гибридами и об их теоретическом осмыслении. Существенно, что он рассматривал наследование не целых органов, а альтернативных вариантов одного и того же признака и утверждал, что потомкам передаются не сами признаки, а их задатки - то, что в настоящее время мы называем генами. Особенно важно, что Мендель впервые сформулировал строгие правила проведения генетического анализа: скрещивание линий одного вида, контрастно различающихся по стабильным признакам, учет признаков в первом и последующих поколениях гибридов, а главное - количественный учет полученных результатов.

Мендель сформулировал  рабочую гипотезу, которая была доступна количественной проверке. Ее сущность заключалась в рассмотрении стабильных наследственных факторов, которые объединяются при оплодотворении, расходятся и комбинируются при последующем образовании половых клеток и вновь объединяются при оплодотворении, дающем начало гибридам следующего поколения. Мендель впервые говорил о дискретных наследственных единицах, которые позже получили название генов. Все это выгодно отличало Менделя от его предшественников, часто работавших с межвидовыми гибридами, не проводивших количественного учета своих результатов и не имевшими столь четкой гипотезы, проверяемой в эксперименте [15;с.684].

Представления о возникновении  признаков, наследуемых на альтернативной основе, были обобщены в мутационной теории Г. Де Фриза, сформулированной им в 1901-1903 гг. Аналогичные взгляды на наследственную изменчивость высказал в 1899 г. С. И. Коржинский (1861-1900) в своей работе «Гетерогенезис и эволюция». Воззрения этих ученых представляли альтернативу  дарвинизму, так как они, как и многие ранние менделисты, считали, что мутации создают новые виды без вмешательства естественного отбора.

Еще при жизни де Фриза  выяснилось, что материал, с которым он экспериментировал, Oenothera Lamarckiana, не подтверждает сделанных обобщений. Р. Гейтс и другие показали, что виды энотеры насыщены хромосомными перестройками (транслокациями), и наблюдавшиеся явления объясняются расщеплением сложных гетерозигот, а отнюдь не скачкообразными наследственными изменениями, как думал автор. В итоге он не описал ни одной реальной мутации. В настоящее время мы говорим не о мутационной теории, а о теории мутационного процесса, изучение которого началось лишь с интенсивного поиска мутантных форм в природных популяциях и попыток их получения искусственным путем.

Первые реальные мутации  были описаны В. Л. Иоганнсеном (1857-1927) у растений, а затем Т. X. Морганом и его учениками у дрозофилы. Развитие теории мутационного процесса тесно связано с дальнейшим развитием представлений о дискретных наследственных задатках и разработкой теории гена. Термин «ген» ввел Иоганнсен в 1909 г. в труде «Элементы точного учения о наследственности». Этоттермин, согласно Иоганнсену, выражал «лишь тот точно установленный факт, что многие признаки организма обусловливаются в гаметах особыми, отделимыми и потому самостоятельными "состояниями", "основами", "задатками", короче - тем, что мы будем называть "генами"». В своих исследованиях он старался быть максимально точным, прибегая к измерениям во всех возможных случаях. В 1903 г. он сформулировал представление о чистых (гомозиготных) линиях у самоопыляющихся растений и показал, что отбор эффективен только в гетерогенной популяции и неэффективен в чистых линиях. Введя понятия «ген», «генотип», «фенотип», Иоганнсен связал ген с менделевскими факторами или задатками и сделал важный шаг в направлении понимания дискретности фенотипа. Он подчеркивал значение гибридологического анализа в установлении генотипа, чтобы в каждом исследовании четко разделять генотипические и фенотипические различия [11; с.304].

Символом становления  генетики (менделизма) как самостоятельной  науки и наметившегося ее синтеза  с эволюционной теорией стало  появление в 1908 г. проведенных независимо друг от друга исследований математика Г. X. Харди и врача В. Вайнберга, которые математически описали наследование в популяциях организмов. Закон Харди-Вайнберга, выражающий частоты аллелей и генотипов в равновесной (менделевской) популяции, заложил основы теоретической популяционной генетики. В дальнейшем в трудах С. С. Четверикова и его учеников появилось новое направление исследований - генетика популяций как основа эволюционного процесса. [13; с. 672].  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Т. X. Морган и теория гена 

 

Следующим крупнейшим достижением  в познании природы наследственности стала хромосомная теория американского  генетика Т. X. Моргана (1866-1945). Он начинал  как эмбриолог, как и Э. Вильсон, был учеником У. К. Брукса в Университете Джонса Гопкинса и работал на Неаполитанской морской зоологической станции и после ряда лет, проведнных в качестве преподавателя в женском колледже Брин Мор в Кентукки (США), в конце концов в 1904 г. присоединился к Вильсону в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Благодаря Вильсону Морган получал информацию о прогрессе в области изучения хромосом из первых рук. Именно в лаборатории Вильсона У. Сэттон в 1902 г. высказал гипотезу о том, что менделевские факторы (впоследствии гены) находятся в хромосомах, и предсказал явление сцепления генов. Большое влияние на формирование Моргана как ученого оказали физиолог Ж. Лёб (1859-1924) и эмбриолог Г. Дриш (1867-1941).

Морган был, скорее, эмпириком  и с трудом принимал новые теории. До 1910 г. он был скептически настроен по отношению к менделизму, а до 1915 г. критиковал дарвиновское понимание естественного отбора. Под влиянием фактов он в обоих случаях переменил точку зрения. Более того, он разработал хромосомную теорию наследственности и сформулировал первый вариант теории гена. Морган преуспел в создании собственной научной школы и работу его и его ближайших учеников - А. Стёртеванта, К. Бриджеса и Г Дж. Мёллера - историки науки называют первым примером успешной коллективной работы в биологии. В течение 17 лет в лаборатории, называемой «мушиной комнатой», они работали вместе, несмотря на разницу в политических взглядах и очень непростые характеры.

Главным достижением  школы Моргана следует считать  разработку частной генетики дрозофилы (Drosophila melanogaster) и создание хромосомной  теории наследственности. Согласно этой теории, гены расположены в хромосомах в линейной последовательности. Таким образом, гены, расположенные в одной хромосоме, сцеплены друг с другом и могут перекомбинироваться в мейозе, т.е. гомологичные хромосомы вступают в процесс кроссинговера и обмениваются гомологичными участками. Частота кроссинговера отражает расстояние между генами и, таким образом, можно строить карты групп сцепления.

Морган сформулировал  теорию гена, т.е. систему представлений  о том, что гены, находящиеся в хромосомах представляют собой элементарные, далее не делимые единицы наследственной информации. Согласно моргановской теории, ген един в трех лицах, будучи единицей мутации (т.е. он изменяется как целое, переходя в новое аллельное состояние), единицей рекомбинации (т.е. кроссинговер не происходит внутри гена), единицей функции (т.е. ген контролирует некоторую функцию, которую не может осуществлять никакая меньшая генетическая единица).

За создание хромосомной  теории в 1933 г. Морган был удостоен Нобелевской премии. Его ученик Мёллер (1890-1967) был удостоен Нобелевской премии в 1946 г. за открытие в 1927 г. мутагенного действия рентгеновских лучей.

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Мутации-изменения гена.  

Традиционно, под геном в молекулярной биологии понимают участок ДНК, кодирующий белковую молекулу. Ген - это ограниченный участок геномной ДНК (или РНК для некоторых вирусов) отвечающий за определенную и специфическую функцию. За время применения методов генной инженерии представления о гене существенно изменились, однако незыблемым остается основной принцип, заложенный в понятие гена как фрагмента нуклеиновой кислоты, в последовательности нуклеотидов которой закодирована информация о последовательности нуклеотидов в другой нуклеиновой кислоте или аминокислотной последовательности в белке. Изменение фенотипа организма однозначно связано с мутационными изменениями генотипа. Генотипические различия, как и считалось ранее, всегда передаются от родителей потомству, т.е. носят наследуемый характер.      

Наследственная  информация всех живых организмов, за исключением некоторых  вирусов, хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты или ДНК.     

ДНК содержится в основном в ядрах  клеток и представляет собой полинуклеотидную цепь. Мономерами, то есть отдельными структурными элементами этой цепи являются мононуклеотиды — одновременно сложные эфиры и гликозиды моносахарида ?,D-2-дезоксирибофуранозы (дезоксирибозы). В состав мононуклеотидов входят также остаток ортофосфорной кислоты и нуклеиновые основания ( иногда их называют азотистыми основаниями). Существует 5 основных типов нуклеиновых оснований : аденин, тимин, урацил, гуанин, цитозин. ДНК обычно состоит из двух нитей, закрученных одна вокруг другой, формируя спираль. Каждая цепь является линейным полимером состоящим из четырех типов мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид с точки зрения химика есть сложный эфир спиртовой OH-группы  рибозы или дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты и N-гликозид нуклеинового основания и того же самого моносахарида. К пуриновым нуклеиновым основаниям относят аденин (А) и гуанин (G), к пиримидиновым - тимин (Т), урацил (У) и цитозин (С).

  ДНК имеет сложнейшую организацию или структуру: первичную, вторичную и т.д., которая завершается формированием настоящих хромосом вместе с особыми белками.

Под вторичной структурой ДНК понимают пространственную организацию  полинуклеотидной цепи. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик, обобщив работы своих  современников, описали вторичную  структуру ДНК в виде двойной  спирали. Она характерна для большинства молекул ДНК, хотя в настоящее время известны и другие пространственные формы ДНК. Согласно Уотсону и Крику, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали.     

Нуклеотидная  последовательность ДНК может меняться под действием ряда факторов: замены 1 пары нуклеиновых оснований на другую, образование водородных связей с нетипичными нуклеиновыми основаниями и т.д. Другой причиной возникновения мутаций служит действие химических факторов (например азотистой кислоты и ее солей) и разных видов излучений [9; с. 291].     

Мутацией  (от лат. mutatio - изменение, перемена) называют любое изменение в последовательности .ДНК Обычно ДНК точно копируется при процессе репликации и сохраняется неизменной между двумя последовательными репликациями. Но изредка происходят ошибки и последовательность ДНК меняется - эти ошибки называются мутациями. Мутация есть устойчивое наследуемое изменение ДНК, независимо от его функциональной значимости. Это определение подразумевает изменение в первичной нуклеотидной последовательности [2; с. 396].     

Мутации в соматических клетках, возможно, вызывают рак, процессы старения и другие, менее существенные изменения в организме. Мутации  в половых клетках родителей наследуются детьми.     

Основные  положения мутационной теории Коржинского и Де Фриза можно свести к следующим пунктам :

1.Мутации появляются внезапно, как дискретные изменения признаков.

2.В отличие от наследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. 3.Они являют собой качественные скачки изменений.

4.Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными.  

С точки зрения эволюции мутации обеспечивают достаточное генетическое многообразие, чтобы позволить видам приспособиться к условиям окружающей среды путем  естественного отбора.      

Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом. В зависимости от факторов, вызывающих мутации, их разделяют на  спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды [10; с. 214].          

При замене одного нуклеотида в кодирующей области возможны следующие точечные мутации [7; с. 156]:

Несмысловая мутация (около 23% случайных замен нуклеотидов  в кодирующих последовательностях), при которой замена нуклеотида в  ДНК и соответствующее изменение  кодона мРНК не приводит к изменению  последовательности аминокислот в  молекуле белка (например, замена кодона УУУ на кодон УУЦ, который тоже соответствует фенилаланину);

Миссенс-мутация (примерно 73% случайных замен нуклеотидов  в кодирующих последовательностях), при которой замена нуклеотидов  в ДНК и соответствующее изменение  кодона мРНК приводит к замене одной из аминокислот в молекуле белка (например, появление кодона лейцина УУА вместо кодона фенилаланина УУУ);