Михаил Голубовский - Век генетики: эволюция идей и понятий

Генетики первых двух десятилетий разделились на лагеря. Одни из них придерживались понимания гена как абстрации, удобного термина при гибридологическом анализе (Бауэр, Бэтсон, Гольдшмидт). Другие, вслед за Морганом занялись поиском гена в материальных структурах клетки, хромосомах. Трудно поверить, что приведенные выше высказывания принадлежат Моргану, который уже в 1915 году опубликовал свою экспериментально обоснованную хромосомную теорию наследственности. Морган, будучи классическим эмбриологом, сознательно отказался на время от холистического подхода, ясно осознав различие проблем передачи и осуществления материальных субстанций наследственности. Объединив вокруг себя группу талантливых исследователей (названных впоследствии как Lords of Flies или Мушиные Лорды), он материализовал гены, установив их точную хромосомную прописку. Хромосомная теория — классический фонд и фундамент генетики. Однако, достигнутая на основе этой теории точность на время оставила в тени неполноту представлений, которая стала выявляться уже в 30-е годы при исследованиях эффекта положения мозаичного типа у дрозофилы(Carson, 1966; Dunn, 1965).

Правда, сам Морган никогда не забывал об этом и в 1934 году в своей Нобелевской лекции специально отметил: "Среди генетиков нет согласия на природу генов — являются ли они реальностью или абстракцией, потому что на уровне, на котором находятся современные генетические опыты, не представляет ни малейшей разницы, является ли ген гипотетической или материальной частицей. В обоих случаях эта частица ассоциирована со специфической хромосомой и может быть локализована там путем чисто генетического анализа. В практической генетической работе безразлично, какой точки зрения придерживаться".

Эта позиция Моргана удивительно совпадает с выводом Любищева о желательности сохранении естественного дуализма "Общее всего ген, по моему, можно определить как абстрактное понятие, которым мы пользуемся для приложения законов Менделя… и как та реальность, которая соответствует этому абстрактному понятию в половых клетках. Лучше в определение гена слово "признак" не вводить, так как это легко ведет к недоразумениям" (Любищев, 1925). Такого рода двойственность и размытость понятия, являются не слабостью, а силой, поскольку отражают глубинные, трудно выявляемые аспекты реальности (Rheinberger, 2000).

Переход на молекулярный уровень и выяснение генетической роли нуклеиновых кислот вновь сопровождались сменой представлений о природе генов и дискуссиями. И даже полное секвенирование ДНК геномов вовсе не снимает вопроса, что есть ген (Баранов и др., 2000). На молекулярно-генетическом уровне мы имеем дело с целой иерархией генетических единиц, которые функционально осмысливаются в ходе развития. Рассмотрим некоторые примеры.

В норме дрозофилы имеют красную окраску глаз, которая зависит от соединения в определенной концентрации красных и коричневых пигментов. Если вследствие мутаций блокируется синтез коричневых пигментов, окраска глаз становится ярко-красной; если блокируется синтез красных пигментов, цвет глаз становится коричневым. Однако в геноме разных видов дрозофил есть всего один локус, мутации которого ведут к остановке производства и красных, и коричневых пигментов. Именно с анализа такой белоглазой мутации, найденной Т. Морганом в 1910 г., и начиналась хромосомная теория наследственности. С тех пор были опубликованы сотни работ, связанные с анализом структуры и функции гена white.

Локус white оказался удобной моделью для изучения сцепленной с полом наследственности, феномена множественного аллелизма, тонкой структуры гена, мутационного процесса (спонтанного и индуцированного), генетической нестабильности, эффекта положения, регуляции действия гена в онтогенезе (Юрченко, Голубовский, 1988). Однако, его свойства во многом остаются загадочными, и даже не выделен биохимический продукт этого "самого старого" у дрозофилы гена. И все же, суммировав нынешние сведения об одном этом гене, можно представить уровень современных генетических данных. Ибо по капле воды познается вкус моря.

Классическая генетика оперировала лишь с мутационно-рекомбинационной картой локуса (гена). В настоящее время надо сопоставлять три типа карт: а) генетическую (мутационно-рекомбинационную); б) транскрипционную, уровень информационной РНК и в) физическую, уровень ДНК. И, конечно, необходимо знать свойства первичного генного продукта — полипептидной цепочки с ее дальнейшим переходом в пространственную структуру белка.

Согласно данным тонкого генетического анализа, проведенного в домолекулярный период, рекомбинационный размер white гена составил 0,03 ед. карты. Поскольку в среднем на 0,01 ед. карты дрозофилы приходится около 4000 п. н., то физический размер гена оценивался приблизительно в 12 тыс. п. н… Эта оценка оказалась близка к реальности. Выделенный генно-инженерными методами фрагмент ДНК размером 12 тыс. п. н. включал все известные мутации. Размер же первичного транскрипта и размер мРНК оказался значительно меньше. Почему? Во-первых, локус w разделен на структурную и регуляторную части. Во-вторых, локус включает 4 интрона — один основной, длиной более 2,5 тыс. п. н. и три малых.

Мозаичная структура гена позволяет понять мучившую генетиков около 20 лет загадку большого размера гена по сравнению с размером кодируемого белка. Если размер полипептидной цепи в среднем равен 300 аминокислот, то размер гена должен составлять около 1000 н. п. Это справедливо для микроорганизмов. Но у дрозофилы рекомбинационная длина функциональной генетической единицы (локуса) в десятки, а иногда в сотни раз выше ожидаемой. Мозаичная структура локусов и их деление на регуляторные и структурные элементы частично сняли данный парадокс.

Совершенно непредвиденным оказался факт, что большинство спонтанных мутаций в локусе white связаны с инсерциями мобильных генетических элементов. Примечательно, что самая первая мутация "белые глаза", найденная Т. Морганом в 1910 г., оказалась вызвана внедрением F-элемента в район проксимального экзона. Впоследствие от "белоглазого" w 1 аллеля были выделены множественные аллели с частичным восстановлением окраски глаз: w e и w h . Оказалось, что первый из них связан с инсерцией дополнительной последовательности в 200 п. н. в F-элемент исходного мутанта, а второй аллель с частичным восстановлением окраски образовался при делеции F-элемента. Наконец, почти полное восстановление фенотипа "красные глаза" было получено при внедрении в исходный F-элемент совсем другого I-элемента (обзор: Юрченко, Голубовский, 1988).

Поразительно, что встраивание в интрон сегмента длиной в сотни нуклеотидных пар может лишь частично выключать активность гена. Порой вставка в интрон вовсе не сказывается на фенотипе, поскольку интрон вместе со вставкой не входит в мРНК.