МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА ,
раздел генетики
и
молекулярной биологии, ставящий целью познание
материальных основ
наследственности и изменчивости живых
существ путём исследования протекающих на субклеточном, молекулярном уровне
процессов передачи, реализации и изменения генетич. информации, а также
способа её хранения.

М. г. выделилась в самостоят, направление
в 40-х гг. 20 в. в связи с внедрением в биологию новых физич. и химич.
методов (рентгеноструктурный анализ, хро-матография, электрофорез, высокоскоростное
центрифугирование, электронная микроскопия, использование радиоактивных
изотопов и т. д.), что позволило гораздо глубже и точнее, чем раньше, изучать
строение и функции отд. компонентов клетки и всю клетку как единую систему.
С новыми методами в биологию пришли новые идеи физики и химии, математики
и кибернетики. Большую роль в быстром развитии М. г. сыграло перенесение
центра тяжести генетич. исследований с высших организмов (эука-риотов)
- осн. объектов классич. генетики, на низшие (прокарйоты) - бактерии
и мн. др. микроорганизмы, а также вирусы. Преимущества использования более
простых форм жизни для решения генетич. проблем заключаются в быстрой смене
поколений у этих форм и возможности изучать одновременно огромное число
особей; благодаря этому сильно возрастает разрешающая способность генетич.
анализа и повышается его точность. Кроме того, сравнительная простота организации
бактерий и особенно вирусов облегчает выяснение молекулярной природы генетич.
явлений. Высказываемое иногда мнение о тождестве М. г. и генетики микроорганизмов
ошибочно.
М. г. изучает молекулярные основы генетич. процессов как у низших, так
и у высших организмов и не включает частной генетики прокариотов, занимающей
видное место в генетике микроорганизмов.

За свою недолгую историю М. г. достигла
значит, успехов, углубив и расширив представления о природе наследственности
и изменчивости, и превратилась в ведущее и наиболее быстро развивающееся
направление генетики.

Одно из главных достижений М. г.-выяснение
химич. природы гена. Классич. генетика установила, что все наследственные
потенции организмов (их генетическая информация) определяются дискретными
единицами наследственности - генами, локализованными гл. обр. в
хромосомах клеточного ядра, а также в нек-рых органеллах цитоплазмы (пластидах,
митохондриях и др.). Однако методы классич. генетики не позволяли вскрыть
химич. природу генов, что было отмечено ещё в 1928 выдающимся сов. биологом
Н. К. Кольцовым, обосновавшим необходимость изучения механизма наследственности
на молекулярном уровне. Первый успех в этом направлении был достигнут при
изучении генетич. трансформации у бактерий. В 1944 амер. учёный
О. Т. Эйвери с сотрудниками обнаружил, что наследственные признаки одного
штамма пневмококков могут быть переданы другому, генетически отличному
штамму путём введения в его клетки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК),
выделенной из первого штамма. Впоследствии подобная генетич. трансформация
с помощью ДНК была осуществлена у др. бактерий, а в последнее время - и
у нек-рых многоклеточных организмов (цветковые растения, насекомые). Т.
о., было показано, что гены состоят из ДНК. Этот вывод был подтверждён
опытами с ДНК-содержащими вирусами: для размножения вируса достаточно введения
молекул вирусной ДНК в клетку восприимчивого хозяина; все др. компоненты
вируса (белки, ли-пиды) лишены инфекционных свойств и генетически инертны.
Аналогичные опыты с вирусами, содержащими вместо ДНК рибонуклеиновую
кислоту (РНК), показали, что у таких вирусов гены состоят из РНК. Выяснение
генетич. роли ДНК и РНК послужило мощным стимулом для изучения нуклеиновых
кислот биохимич., физико-химич. и рентгеноструктурными методами. В
1953 амер. учёный Дж. Уот-сон и англ, учёный Ф. Крик предложили
модель
структуры ДНК, предположив, что её гигантские молекулы представляют собой
двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеоти-дами,
расположенными
апериодически, но в определённой последовательности. Каждый нуклеотид одной
нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити по правилу комплементарности.
Многочисл.
экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика. Несколько
позже было установлено, что аналогичной структурой обладают молекулы разных
РНК, только они большей частью состоят из одной полинуклеотид-ной нити.
Дальнейшие работы, в к-рых химич. и физико-химич. методы сочетались с точными
генетич. методами (использование разнообразных мутантов, явлений
трансдукции,
трансформации
и т. д.), показали, что разные гены различаются как числом входящих в них
пар нуклеотидов (от неск. десятков до полутора тысяч и более), так и строго
определённой для каждого гена последовательностью нуклеотидов, в к-рой
закодирована генетич. информация. (Принципиально сходную химич. структуру
имеют и гены, состоящие из РНК,- у вирусов РНК-типа.)

Классич. генетика рассматривала ген как
дискретную и неделимую единицу наследственности. Важное значение в пересмотре
этой концепции имели работы сов. генетика А. С. Серебровского и
его учеников, в 1930-х гг. впервые указавших на возможность делимости гена.
Однако разрешающая способность методов клас-сич. генетики была недостаточной
для изучения тонкого строения гена. Только с развитием М. г. удалось в
50-60-х гг. решить эту проблему. Мн. работами, проведёнными сначала на
бактериях и вирусах, а затем и на многоклеточных организмах, было выяснено,
что ген обладает сложным строением: он состоит из десятков или сотен участков
- сайтов, способных независимо мутировать и ре-комбинировать (см. Мутации,
Рекомбинация). Пределом дробим ости гена, а следовательно, и минимальным
размером сайта является одна пара нуклеотидов (у вирусов, к-рые содержат
одну нить РНК,- один нуклеотид). Установление тонкого строения генов позволило
значительно углубить представление о механизме генетич. рекомбинации и
закономерностях возникновения генных мутаций, оно способствовало также
выяснению механизма функционирования генов. Данные о химич. природе и тонком
строении генов позволили разработать методы их выделения. Впервые это было
выполнено в 1969 амер. учёным Дж. Бэк-витом с сотрудниками для одного из
генов кишечной палочки. Затем то же удалось осуществить у нек-рых высших
организмов (земноводных). Ещё более значит, успех М. г. - первый химич.
синтез гена (кодирующего аланиновую транспортную РНК дрожжей), осуществлённый
X. Корана в 1968. Работы в этом направлении ведутся в ряде лабораторий
мира. Для внеклеточного синтеза более крупных генов успешно применены новейшие
биохимич. методы, основанные на явлении т. н. обратной транскрипции (см.
ниже). Используя эти методы, С. Спигелмен, Д. Балтимор, П. Ледер и их сотрудники
(США) далеко продвинулись по пути искусств, синтеза генов, определяющих
структуру белка в молекулах гемоглобина у кролика и человека. Такие
же работы проведены в последнее время и в ряде др. лабораторий, в т. ч.
и в СССР.

Т. о., М. г. уже выяснила в принципе вопрос
о том, как записана и хранится генетич. информация, получаемая потомками
от родителей, хотя расшифровка конкретного содержания этой информации для
каждого отд. гена требует ещё огромной работы.

Установление структуры ДНК открыло возможности
для экспериментального исследования биосинтеза молекул ДНК -их репликации.
Этот
процесс лежит в основе передачи генетич. информации от клетки к клетке
и от поколения к поколению, т. е. определяет относит, постоянство генов.
Изучение репликации ДНК привело к важному выводу о матричном характере
биосинтеза ДНК: для его осуществления необходимо наличие готовой молекулы
ДНК, на к-рой, как на шаблоне (матрице), синтезируются новые молекулы ДНК.
При этом двойная спираль ДНК раскручивается, и на каждой её нити синтезируется
новая, комплементарная ей нить, так что дочерние молекулы ДНК состоят из
одной старой и одной новой нити (полуконсервативный тип репликации). Выделен
белок, вызывающий раскручивание двойной спирали ДНК, а также ферменты,
осуществляющие биосинтез нуклеотидов и их соединение ("сшивание") друг
с другом. Несомненно, что в клетке имеются механизмы, регулирующие синтез
ДНК. Пути такой регуляции ещё во многом неясны, но очевидно, что она в
большой степени определяется генетич. факторами.

М. г. достигла выдающегося успеха и в решении
важнейшей задачи, сформулированной ещё классич. генетикой,-каким образом
ген определяет признак, или как происходит реализация генетич. информации.
Предпосылкой послужило сформулированное ещё в 1941 Дж. Бидлом и
Э. Тейтемом положение "один ген - один фермент". Это положение позволило
поставить вопрос в следующем виде: как гены, т. е., по сути дела, участки
молекулы ДНК, определяют химич. структуру и свойства белков, спе-цифич.
для данного организма? Раскрытие химич. структуры ДНК и белка дало возможность
сопоставить эти два типа биополимеров, что привело к концепции генетического
кода, согласно к-рой порядок чередования 4 сортов нуклеотидов в ДНК
определяет порядок чередования 20 сортов аминокислот в белковой молекуле.
От последовательности расположения аминокислот в белковой молекуле (её
первичной структуры)зависят все её свойства. Расшифровка принципов, на
к-рых основан генетич. код, была осуществлена в 1962 Ф. Криком с сотрудниками
в генетич. опытах с мутантами одного бактериального вируса. Оказалось,
что каждая тройка нуклеотидов в цепи ДНК (триплет, кодон) определяет,
какая именно из 20 аминокислот займёт данное место в полипептидной цепи
синтезируемого белка, т. е. каждый триплет кодирует определённую аминокислоту.
Последующие работы позволили полностью рас- шифровать генетич. код и установить
нуклеотидный состав всех триплетов, кодирующих аминокислоты, а также состав
инициирующего кодона, определяющего начало синтеза данной полипептидной
цепи, и трёх терминирующих кодо-нов, определяющих конец синтеза. Было найдено,
что генетич. код универсален для всего живого, т. е. что он один и тот
же для любого организма, начиная от вирусов и кончая высшими животными
и человеком. Участок молекулы ДНК, составляющий один ген, определяет, как
правило, последовательность аминокислот в молекуле одного белка (или в
одной полипептидной цепи, если данный белок состоит из неск. таких цепей).

Расшифровка генетич. кода сыграла выдающуюся
роль в выяснении механизма биосинтеза белка - процесса, включающего перенос
заключённой в ДНК генетич. информации на молекулы т. н. информационной,
или матричной, РНК (и-РНК). Этот процесс, сущность к-рого составляет синтез
и-РНК на матрице ДНК, получил название транскрипции. Информационная
РНК связывается затем с особыми клеточными структурами - рибосомами,
на
к-рых и осуществляется синтез полипептидной цепи в соответствии с информацией,
записанной в молекуле и-РНК. Этот процесс синтеза полипептидных цепей при
посредстве и-РНК назван трансляцией.

Т. о., передача генетич. информации происходит
по схеме: ДНК -> РНК -> белок. Это осн. положение (догма), правильность
которого установлена мн. исследованиями на различных организмах, получило
в 1970 важное дополнение. Американские учёные X. Темин и Д. Балтимор обнаружили,
что при репродукции некоторых РНК-содержащих вирусов, вызывающих опухоли
у животных, генетическая информация передаётся от РНК вируса к ДНК. Подобная
обратная транскрипция осуществляется особыми ферментами, содержащимися
в этих вирусах. Явление обратной транскрипции было обнаружено также в нек-рых
здоровых клетках животных и человека. Полагают, что обратная транскрипция
играет существенную роль в возникновении по крайней мере нек-рых форм злокачественных
опухолей и лейкозов, а, возможно, также в процессах дифференцировки
при
нормальном развитии организмов. Следует подчеркнуть, что открытие обратной
транскрипции не противоречит осн. положению М. г. о том, что генетич. информация
передаётся от нуклеиновых к-т к белкам, но не может передаваться от белка
к нуклеиновым к-там.

Замечат. достижение М. г.- раскрытие генетич.
механизмов регуляции синтеза белков в бактериальной клетке. Как показали
в 1961 франц. учёные Ф. Жакоб и Ж. Моно, биосинтез белка
в бактерии находится под двойным генетич. контролем. С одной стороны, молекулярная
структура каждого белка детерминируется соответствующим структурным геном,
с другой - возможность синтеза этого белка определяется особым геном-регулятором,
который кодирует спец. регуляторный белок, способный связываться со специфическим
участком ДНК - т. н. оператором - и при этом "включать" или "выключать"
функционирование структурных генов, управляемых этим оператором. Система
из одного или неск. структурных генов и их оператора составляет т. н. оперон.
Способность
регуляторных белков связываться с оператором зависит от взаимодействующих
с этими белками низкомолекулярных соединений - эффекторов. Эффекторы поступают
в клетку извне или синтезируются ею и служат сигналами о необходимости
синтеза этой клеткой тех или иных белков или прекращения их синтеза. Регуляторные
белки бывают двух типов: белки-репрессоры, к-рые, связываясь с оператором,
блокируют синтез белка (негативная регуляция), и белки-активаторы, к-рые,
связываясь с оператором, индуцируют синтез белка (позитивная регуляция).
При негативной регуляции в одних случаях репрессор до взаимодействия с
эффектором находится в активной форме и, связываясь с оператором, препятствует
транскрипции структурных генов оперона (а следовательно, и синтезу соответствующих
белков). Эффектор переводит репрессор в неактивную форму, оператор освобождается
и транскрипция структурных генов (а отсюда и синтез кодируемых ими белков)
становится возможной. В др. случаях взаимодействие репрессора с эффектором
переводит репрессор в активную форму, в к-рой он способен связаться с оператором,
что и приводит к блокированию синтеза белка. При позитивной регуляции,
напротив, только активная форма белка-активатора, способная связываться
с оператором, обусловливает синтез белка. Активная форма белка-активатора
тоже определяется его взаимодействием с эффектором.

У многоклеточных организмов генетич. регуляция
синтеза белка сложнее и пока изучена недостаточно. Однако ясно, что и здесь
большую роль играет обратная связь, подобная описанной у бактерий
для системы эффектор - регуляторный белок - оператор, причём сигнальными
веществами в ряде случаев служат гормоны.

С развитием М. г. более глубоким стало
понимание мутационного процесса, т. е. изменения генетической информации.
Было показано, что мутации представляют собой либо замены отд. нуклеоти-дов,
либо вставки или выпадения нуклео-тидов в молекуле ДНК. Мутации возникают
как вследствие случайных ошибок при репликации ДНК, так и в результате
повреждающего нуклеиновые к-ты действия различных физич. и химич. агентов
-мутагенов; они возникают также из-за изменений т. н. генов-мутаторов,
кодирующих ферменты, участвующие в репликации, исправляющие генетич. повреждения
и др. Вызываемые мутагенами изменения химич. структуры ДНК либо непосредственно
представляют мутации, либо ведут к возникновению мутаций вследствие обусловленных
этими изменениями ошибок в ходе последующей репликации ДНК. Значит, доля
молекулярных повреждений ДНК, вызываемых мутагенами, не реализуется в мутации,
а исправляется (репарируется). Суть явления репарации состоит в
том, что у всех организмов имеются гены, кодирующие особые ферменты, способные
•"узнавать" повреждённые участки ДНК, "вырезать" их из молекулы и заменять
полноценными. Нек-рые из этих ферментов идентифицированы, установлен и
механизм их действия, но полного понимания процесса репарации ещё не достигнуто.

Изучение репарации открыло новые подходы
к исследованию механизма рекомбинации сцепленных (т. е. лежащих
в одной хромосоме) генов, представляющей одну из причин комбинативной изменчивости,
к-рая наряду с мутациями играет важную роль в эволюции. Клас-сич. генетикой
было показано, что рекомбинация сцепленных генов происходит путём обмена
гомологичных хромосом участками (кроссинговер), но тонкий механизм
такого обмена оставался неизвестным. Экспериментальные данные последних
10-15 лет позволяют рассматривать внутрихромосомную и внутригенную (межсайтовую)
рекомбинацию как ферментативный процесс, происходящий при взаимодействии
молекул ДНК. Акт рекомбинации осуществляется путём разрывов и соединения
в новом сочетании отрезков полинуклеотидных нитей. При этом разрывы с последующим
воссоединением могут происходить как одновременно в обеих нитях ДНК (кроссинговер),
так и в пределах одной нити (т. н. п о-лукроссинговер). Чтобы имел место
кроссинговер, так же как и для репарации, необходимы разрывы, репарационный
синтез повреждённых участков и восстановление нарушенных фосфатных связей,
осуществляемые соответствующими ферментами.

М. г. своими замечательными открытиями
оказала плодотворное влияние на все биологич. науки. Она явилась той основой,
на к-рой выросла молекулярная биология, значительно ускорила прогресс биохимии,
биофизики, цитологии, микробиологии, вирусологии, биологии развития, открыла
новые подходы к пониманию происхождения жизни и эволюции орга-нич. мира.
Вместе с тем М. г., позволившая глубоко проникнуть в природу важнейших
жизненных процессов и успешно продолжающая их исследование, отнюдь не претендует
на решение многих, в т. ч. и генетических, проблем, касающихся целостного
организма, а тем более совокупностей организмов - популяций, видов, биоценозов
и т. д., где преобладают закономерности, изучение к-рых требует иных методов,
чем те, какие использует М. г.

Достижения М. г., внёсшие огромный теоретич.
вклад в общую биологию, несомненно будут широко использованы в практике
с. х-ва и медицины (т. н. генная инженерия путём замены вредных генов полезными,
в т. ч. искусственно синтезированными; управление мутац. процессом; борьба
с вирусными болезнями и злокачественными опухолями путём вмешательства
в процессы репликации нуклеиновых к-т и опухолеродных вирусов; управление
развитием организмов посредством воздействия на генетич. механизмы синтеза
белка и т. д.). Перспективность практич. применения достижений М. г. подтверждается
успехами, достигнутыми на модельных объектах. Так, у наиболее изученных
в генетич. отношении видов бактерий удаётся получать мутации любого гена,
лишать клетку к.-л. гена или привносить в неё желаемый ген извне, регулировать
функции мн. генов. Несмотря на то что генетич. свойства клеток эукариотов
изучены на молекулярном уровне ещё недостаточно, увенчались успехом первые
попытки введения нек-рых генов в клетки млекопитающих с помощью вирусов,
осуществлена гибридизация соматических клеток и др. Напр., в 1971 амер.
учёный С. Меррилл с сотрудниками, культивируя вне организма клетки человека,
больного галактоземией (такие клетки неспособны вырабатывать один из ферментов,
необходимых для утилизации молочного сахара, что и является причиной этой
тяжёлой наследственной болезни), ввели в эти клетки неинфекционный для
них бактериальный вирус, содержащий ген, кодирующий данный фермент. В результате
клетки "излечились" - стали синтезировать недостающий фермент и передавать
эту способность последующим клеточным поколениям. Уже сейчас данные М.
г. используют при создании медикаментов, применяемых для профилактики и
лечения новообразований, лейкозов, вирусных инфекций, лучевых поражений,
при изыскании новых мутагенов и т. д.

Лит.: Вагнер Р., Митчелл Г., Генетика
и обмен веществ, пер. с англ., М., 1958; Молекулярная генетика. Сб. ст.,
пер. с англ., ч. 1, М., 1964; Кольцов Н. К., Наследственные молекулы, "Бюлл.
Московского об-ва испытателей природы. Отдел биологический", 1965, т. 70,
в. 4, с. 75-104; Б р е с л е р С. Е., Введение в молекулярную биологию,
3 изд., М.-Л., 1973; У о т с о н Д ж.. Молекулярная биология
гена, пер. с англ., М., 1967; Гершкович И., Генетика, пер. с англ., М.,
1968; X е с и н Р. Б., Энзимология генетических процессов, в кн.: Вопросы
молекулярной генетики и генетики микроорганизмов, М., 1968; Р а т н е р
В. А., Принципы организации и механизмы моле-кулярно-генетических процессов,
Новосибирск, 1972; S t е n t G. S., Molecular genetics, S. F., 1971; E
i 8 e n M., Selforganization of matter and the evolution of biological
mac-romolecules, "Naturwissenschaften", 1971, Jg. 58, H. 10; Baltimore
D., Viral RNA-dependent DNA polymerase, "Nature", 1970, v. 226, № 5252;
Temin H., Mizutani S., RNA-dependent DNA polymerase in virions of Rous
sarcoma virus, "Nature", 1970, v. 226, № 5252; Kacian D. L. [a. o.], In
vitro synthesis of DNA components of human genes for globins, "Nature.
New Biology", 1972, v. 235, № 58.

С. М. Гершензон, Е. И. Черепенко.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я